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GRADO DE INGENIERÍA DE TECNOLOGÍAS Y SERVICIOS DE TELECOMUNICACIÓN TRABAJO FIN DE GRADO DISEÑO DE UN SIMULADOR ORBITAL PARA LA REPRESENTACIÓN DE LA CONSTELACIÓN DE SATÉLITES ONEWEB CON EL FIN DE ANALIZAR SITUACIONES DE INTERFERENCIA CON SATÉLITES GEOESTACIONARIOS ADRIÁN BAÑOS GARCÍA 2017
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TRABAJO FIN DE GRADO
DISEÑO DE UN SIMULADOR ORBITAL PARA LA REPRESENTACIÓN DE LA CONSTELACIÓN DE
SATÉLITES ONEWEB CON EL FIN DE ANALIZAR SITUACIONES DE INTERFERENCIA CON
SATÉLITES GEOESTACIONARIOS
ADRIÁN BAÑOS GARCÍA
2017
GRADO EN INGENIERÍA DE TECNOLOGÍAS Y SERVICIOS
DE TELECOMUNICACIÓN
TRABAJO FIN DE GRADO
Título: Diseño de un simulador orbital para la representación de la constelación
de satélites OneWeb con el fin de analizar situaciones de interferencia
con satélites geoestacionarios
Autor: D. Adrián Baños García
Tutor: D. Ramón Martínez Rodríguez-Osorio
Departamento: Señales, Sistemas y Radiocomunicaciones (SSR)
MIEMBROS DEL TRIBUNAL
Presidente: D. ……………
Vocal: D. …………..
Secretario: D. …………..
Suplente: D. ……………..
Los miembros del tribunal arriba nombrados acuerdan otorgar la calificación de:
………
Madrid, a de de 20…
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACIÓN
GRADO DE INGENIERÍA DE TECNOLOGÍAS Y SERVICIOS DE TELECOMUNICACIÓN
TRABAJO FIN DE GRADO
DISEÑO DE UN SIMULADOR ORBITAL PARA LA REPRESENTACIÓN DE LA CONSTELACIÓN DE
SATÉLITES ONEWEB CON EL FIN DE ANALIZAR SITUACIONES DE INTERFERENCIA CON
SATÉLITES GEOESTACIONARIOS
ADRIÁN BAÑOS GARCÍA
2017
RESUMEN
Con la elaboración de este trabajo se ofrece una visión general de las comunicaciones por satélite además
de introducir y simular la constelación de satelites de comunicaciones OneWeb. En su desarrollo se
distinguen dos partes, las cuales definirán plenamente un enlace de comunicaciones satelital en el marco
histórico y técnico.
En la primera de ellas se hace un recorrido por la historia de los satélites de comunicaciones más
importantes: desde el despliegue del primer satélite hasta la llegada de las constelaciones masivas de
satélites de órbita baja. Se da también a conocer en detalle la arquitectura y funcionamiento de un sistema
de comunicaciones satelital, y más concretamente, la constelación de satélites OneWeb.
En la segunda parte del trabajo se llevará a cabo la simulación de la constelación OneWeb con el uso de
la herramienta de software MATLAB, la cual nos permitirá analizar el balance de enlace mediante la
relación C/N o Eb/No, calcular el número de satélites de la constelación vistos por una estación terrena y
estudiar eventos de interferencia con redes satelitales geoestacionarias. Finalmente, a la vista de todos los
datos obtenidos a partir de la simulación, se estudiarán técnicas de mitigar esta interferencia y se
cuantificarán sus mejoras.
SUMMARY
The main purpose of this thesis is to provide a general view of satellite communications as well as
introduce and simulate OneWeb satellite constellation. The work is divided in two differentiate parts
which together explain satellite communications links historically and technically.
The first section explores the history of communication satellites, starting with the first satellite up to the
deployment of massive low earth orbit constellations. The architecture and functioning of a satellite
communication system will be detailed, and specifically, OneWeb satellite constellation.
In the second part, OneWeb constellation simulation simulated with the help of the software tool
MATLAB, which will let us analyse the link budget through C/N or Eb/No ratios, determine the number
of satellites seen by a ground station and study interference events with geostationary satellites networks.
Finally, after considering the results, we will study and measure the improvements of techniques used to
mitigate this interference.
PALABRAS CLAVE
OneWeb, comunicaciones por satélite, constelación de satélites, MATLAB, interferencia, balance de
enlace, frecuencia, relación C/N, relación Eb/No, estación terrena.
KEYWORDS
OneWeb, satellite communications, satellite constellation, interference, MATLAB, link budget,
frequency, C/N ratio, Eb/No ratio, gateway earth station.
ÍNDICE DEL CONTENIDO
1 INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS .............................................................. 1
1.1 Introducción ................................................................................................................................ 1
1.2 Objetivos ..................................................................................................................................... 1
2 INTRODUCCIÓN A LAS COMUNICACIONES POR SATÉLITE ......... 2
2.1 Historia de los satélites de comunicaciones ................................................................................. 2
2.2 Descripción general de las comunicaciones por satélite .............................................................. 3
2.2.1 Arquitectura de un sistema de comunicaciones por satélite ..................................................... 3
2.2.1.1 Segmento espacial ........................................................................................................... 4
2.2.1.2 Segmento terreno............................................................................................................. 5
2.2.2 Funcionamiento de un sistema de comunicaciones por satélite ............................................... 6
2.2.3 Tipos de órbitas ....................................................................................................................... 7
2.2.4 Bandas de frecuencias ............................................................................................................. 7
2.2.5 Tratamiento de las señales satelitales ...................................................................................... 8
2.3 Balance de enlace satelital........................................................................................................... 9
2.4 Las comunicaciones por satélite en españa ............................................................................... 12
3 CONSTELACIÓN DE SATÉLITES ONEWEB ....................................... 13
3.1 Descripción general ................................................................................................................... 13
3.2 Bandas de frecuencias empleadas ............................................................................................. 14
3.3 Funcionamiento del sistema OneWeb ....................................................................................... 14
3.4 Segmento terreno del sistema OneWeb ..................................................................................... 15
3.5 Cobertura geográfica ................................................................................................................. 16
3.6 Análisis de interferencias .......................................................................................................... 18
4 MODELADO DEL ESCENARIO .............................................................. 20
4.1 Software empleado .................................................................................................................... 20
4.2 Modelado y representación de la constelación de satélites OneWeb ......................................... 21
4.2.1 Parámetros orbitales .............................................................................................................. 21
4.2.2 Método de Walker ................................................................................................................. 22
4.2.3 Función orbit_simulator ........................................................................................................ 22
4.2.4 Representación 2D y 3D ....................................................................................................... 23
4.3 Condiciones de visibilidad e interferencia ................................................................................. 25
4.4 Modelado de las huellas de cobertura, anchos de haz y ángulos de desapuntamiento ............... 27
4.5 Valores empleados en el estudio del balance de enlace OneWeb .............................................. 29
4.6 Valores empleados en el estudio de la interferencias en las redes geoestacionarias .................. 32
5 RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN ..................................................... 37
5.1 Consideraciones previas ............................................................................................................ 37
5.2 Escenario A: 1 satélite y 1 plano orbital .................................................................................... 37
5.3 Escenario B: 48 satélites y 8 planos orbitales ............................................................................ 40
5.4 Escenario C: Constelación OneWeb completa .......................................................................... 44
5.5 Representación de los escenarios .............................................................................................. 45
6 MITIGACIÓN DE INTERFERENCIAS ................................................... 47
6.1 Progressive pitch ....................................................................................................................... 47
6.2 Arc avoidance ........................................................................................................................... 47
7 CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS ................................................. 48
7.1 Conclusiones ............................................................................................................................. 48
7.2 Líneas futuras ............................................................................................................................ 49
8 BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................... 50
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1: Sputnik1 ...................................................................................................................................... 2
Figura 2: Imágenes satelitales ..................................................................................................................... 3
Figura 3: Satélite Intelsat VI ....................................................................................................................... 4
Figura 4: Carga útil de un satélite ............................................................................................................... 4
Figura 5: Infraestructura de un segmento terreno de control ....................................................................... 6
Figura 6: Variaciones de las relaciones C/N existentes en función de la reducción de potencia de entrada
de un transpondedor .................................................................................................................................. 11
Figura 7: Mapa de coberturas de Hispasat ................................................................................................ 12
Figura 8: Boceto de un satélite de la constelación OneWeb ...................................................................... 13
Figura 9: Terminal de usuario OneWeb .................................................................................................... 14
Figura 10: Cobertura global de la Tierra (huellas de cobertura simplificadas) .......................................... 16
Figura 11: Huella de cobertura de un satélite OneWeb en la banda Ku .................................................... 17
Figura 12: Protección frente a interferencias en la banda Ku (no progessive pitch) .................................. 18
Figura 13: Protección frente a interferencias en la banda Ku mediante progressive pitch ......................... 19
Figura 14: Definición del ángulo α ........................................................................................................... 19
Figura 15: Interfaz de MATLAB (versión R2016a) .................................................................................. 20
Figura 16: Parámetros orbitales de un cuerpo alrededor del Sol ............................................................... 21
Figura 17: Método de Walker para el diseño de constelaciones satelitales ............................................... 22
Figura 18: Elevación y Azimut de un satélite con respecto a una estación terrena .................................... 25
Figura 19: Ángulo central, ángulo nadir y elevación ................................................................................ 25
Figura 20: Modelado de la huella de cobertura de un satélite OneWeb en la banda Ku ............................ 27
Figura 21: Huella de cobertura circular ..................................................................................................... 28
Figura 22: Relación Eb/No sin interferencia en la banda Ku (escenario A) .............................................. 37
Figura 23: Relación Eb/No con interferencia en la banda Ku (escenario A) ............................................. 38
Figura 24: Relación C/I en el satélite GEO en la banda Ka (escenario A) ................................................ 39
Figura 25: Relación C/I en la estación terrena GEO en la banda Ku (escenario A) .................................. 39
Figura 26: Relación C/I en la estación terrena GEO en la banda Ka (escenario A) ................................... 40
Figura 27: Relación Eb/No sin interferencia en la banda Ku (escenario B) .............................................. 41
Figura 28: Relación Eb/No con interferencia en la banda Ku (escenario B) ............................................. 41
Figura 29: Relación C/I en el satélite GEO en la banda Ka (escenario B) ................................................ 42
Figura 30: Relación C/I en la estación terrena GEO en la banda Ku (escenario B) ................................... 43
Figura 31: Relación C/I en la estación terrena GEO en la banda Ka (escenario B) ................................... 43
Figura 32: Representación 3D del escenario A - Walker 1/1/1 87,9º ....................................................... 45
Figura 33: Representación 3D del escenario B - Walker 48/8/1 87,9º ..................................................... 45
Figura 34: Representación 3D del escenario C - Walker 720/18/1 87,9º.................................................. 46
Figura 35: Ground Track del escenario A ................................................................................................. 46
Figura 36: Aplicación del progressive pitch un ángulo β .......................................................................... 47
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1: Primeros satélites de comunicaciones ........................................................................................... 2
Tabla 2: Características principales de las órbitas LEO, MEO y GEO ....................................................... 7
Tabla 3: Bandas de frecuencia para las comunicaciones por satélite ........................................................... 7
Tabla 4: Flota de satélites de Hispasat ...................................................................................................... 12
Tabla 5: Bandas de frecuencia usadas por la constelación OneWeb ......................................................... 14
Tabla 6: Características de las estaciones TT&C y del control de carga útil del satélite ........................... 16
Tabla 7: Cálculo del azimut en función de la posición de la estación terrena y el punto subsatélite ......... 26
Tabla 8: Parámetros del enlace ascendente ............................................................................................... 29
Tabla 9: Parámetros del enlace descendente ............................................................................................. 30
Tabla 10: Parámetros del enlace interferente (satélite GEO – terminal de usuario) a 12 GHz .................. 31
Tabla 11: Parámetros del enlace satélite OneWeb – terminal de usuario a 12 GHz .................................. 32
Tabla 12: Parámetros del enlace interferente (estación terrena OneWeb - satélite GEO) a 29 GHz.......... 33
Tabla 13: Parámetros del enlace estación terrena GEO - satélite GEO a 29 GHz .................................... 33
Tabla 14: Parámetros del enlace interferente (satélite OneWeb - estación terrena GEO) a 12 GHz.......... 34
Tabla 15. Parámetros del enlace satélite GEO – estación terrena GEO a 12 GHz ..................................... 35
Tabla 16: Parámetros del enlace interferente (satélite OneWeb - estación terrena GEO) a 19 GHz.......... 35
Tabla 17: Parámetros del enlace satélite GEO – estación terrena GEO a 19 GHz .................................... 36
1
1 INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS
1.1 INTRODUCCIÓN
A lo largo del siglo XX se ha producido un gran progreso tecnológico en el que se han desarrollado
nuevas formas de comunicación. Las comunicaciones por satélite son una de las más significativas
debido a la necesidad global de estar conectados constantemente.
Debemos definir un satélite de comunicaciones como un repetidor radioeléctrico ubicado en el
espacio que recibe señales generadas en la Tierra, las amplifica y las vuelve a enviar a la Tierra. Es
por tanto un centro de comunicaciones que procesa datos recibidos desde nuestro planeta y los envía
de regreso, bien al mismo punto en el cual se envió la señal o a otro distinto. Algunas de las ventajas
más destacadas de las comunicaciones por satélite son la posibilidad de independizarse de las
distancias y de los obstáculos naturales y la cobertura total e inmediata de grandes zonas geográficas.
Los inicios de las comunicaciones por satélite datan de mediados de siglo XX. La primera referencia a
lo que son hoy los satélites la hizo en octubre de 1945 el escritor británico de ciencia ficción Arthur C.
Clarke quién publicó en la revista británica Wireless World el artículo titulado “Extra Terrestrial
Relays” [1] en el cual incluía la propuesta de un sistema de comunicación global utilizando estaciones
espaciales hechas por el hombre. Esta idea comenzó a hacerse realidad con el desarrollo del primer
satélite artificial, el Sputnik 1, que fue lanzado por la URSS el 4 de octubre de 1957 en una órbita
elíptica de baja altura. Este satélite sólo emitía un tono intermitente, y estuvo en funcionamiento
durante 21 días, marcando así el inicio de la era de las comunicaciones vía satélite.
Según los últimos datos de la NASA y de la Online Satellite Calculations, en la actualidad hay
desplegados cerca de 3500 satélites en pleno funcionamiento [2]. El desarrollo de la tecnología ha
permitido un rápido avance de este tipo de comunicaciones facilitando el manejo de enormes
cantidades de datos destinadas para servicios de todo tipo, algo impensable hace tan solo unos años.
En definitiva, los satélites de comunicaciones constituyen un medio maduro, fiable e imprescindible
para alcanzar aquellos puntos de la superficie terrestre de difícil acceso, cubrir grandes distancias y
para la difusión de información, de cualquier tipo, a un amplio conjunto de receptores, con gran
capacidad y a un coste relativamente bajo.
1.2 OBJETIVOS
A lo largo de este trabajo se pretende ofrecer una visión general del mundo de las comunicaciones por
satélite en un contexto tanto histórico como práctico. Más en concreto, se detallará la constelación
masiva de satélites de órbita baja OneWeb [3] y de cómo interfiere con las redes satelitales
geoestacionarias. Es por ello que los principales objetivos a tratar son los siguientes:
Poner en perspectiva la evolución de los sistemas de telecomunicación vía satélite desde
mediados de siglo XX hasta la actualidad.
Definir la constelación de satélites OneWeb y sus parámetros técnicos.
Modelar y simular en MATLAB la constelación de satélites OneWeb.
Obtener estadísticas de visibilidad e interferencia.
Estudiar el balance de enlace entre los satélites de la constelación y los terminales de usuario
(relación Eb/No) y los niveles de interferencia en los satélites geoestacionarios y en sus
respectivas estaciones terrenas (relación C/I).
Analizar técnicas de mitigación de interferencias y cuantificar la mejora de prestaciones.
2
2 INTRODUCCIÓN A LAS COMUNICACIONES POR
SATÉLITE
2.1 HISTORIA DE LOS SATÉLITES DE COMUNICACIONES
El origen de las comunicaciones vía satélite se remonta a mediados del siglo XX. En plena Guerra
Fría (1947-1991), los Estados Unidos y la URSS se encontraban inmersos en una carrera espacial que
duraría hasta el año 1975 y que supuso un esfuerzo paralelo entre ambos países por explorar el
espacio exterior con satélites artificiales, de enviar humanos al espacio y sobre todo, de llegar a la
Luna por primera vez.
En este contexto, y por la necesidad de encontrar una alternativa
tecnológica a los cables submarinos debido a su elevado coste de
implantación y fabricación, fueron los soviéticos los que, el 4 de
octubre de 1957, consiguieron lanzar al espacio el primer satélite
del mundo: El Sputnik 1. Tras posicionarse correctamente en
órbita, el satélite emitió unos pitidos por radio que demostraron el
éxito de la operación. La recepción de esta señal de radio en la
Tierra supuso un impacto enorme en la población mundial, y
desde entonces, se comenzó a invertir en la tecnología satelital
para múltiples usos.
El primer satélite de telecomunicaciones lanzado al espacio con éxito fue el Echo I. Fue una primera
prueba para transmitir señales de radio, teléfono y televisión en 1960. Simplemente actuó como un
espejo reflector, ya que no tenía más capacidad que la de recibir una señal y reenviarla a la Tierra. De
hecho, estos satélites tenían un tiempo muy limitado de operación debido a que su órbita era de baja
altura.
Fue sin embargo el Telstar I, un satélite norteamericano y de construcción privada, financiado por
AT&T y que apenas medía más de un metro, el primer satélite activo de comunicaciones lanzado al
espacio. Lanzado un 10 de julio de 1962, su objetivo era el de transmitir señales de televisión y
conversaciones a través del Océano Atlántico. El Telstar I marcó un antes y un después, pues gracias a
él se transmitió la primera llamada de teléfono por satélite de la historia y la primera retransmisión de
televisión por satélite. Pocos meses después de su lanzamiento, el satélite dejo de funcionar, y fue el
turno del Telstar II, que marcó un serio comienzo en la carrera espacial por los satélites.
A continuación, se resumen en la siguiente tabla algunos de estos primeros satélites:
1957 Sputnik 1. Primer satélite lanzado al espacio.
1960 Echo I. Primera prueba para transmitir señales de radio, teléfono y televisión
1962 Telstar I. Primer satélite activo de comunicaciones.
1964 Syncom III. Primer satélite de órbita geoestacionaria
1965 Intelsat I. Primer satélite de órbita geosíncrona
1967 Sistema Monlniya. Primera red satelital doméstica (4 satélites de órbita elíptica)
1976 Marisat. Primer satélite de comunicaciones marítima
1982 Inicio del programa Eutelsat de la Agencia Espacial Europea
1998 Sistema Iridium. Constelación de 72 satélites órbita baja
Tabla 1: Primeros satélites de comunicaciones [5]
Figura 1: Sputnik1 [4]
3
El desarrollo tecnológico en las comunicaciones por satélite ha sido constante desde sus comienzos, y
actualmente hay satélites artificiales de comunicaciones, militares, meteorológicos, para servicios de
navegación y para el estudio de recursos terrestres y científicos, como se muestra en la figura 2. Cabe
destacar las constelaciones de satélites para comunicaciones como Globalstar, OneWeb o Iridium y
para navegación como GPS o Galileo.
Arriba izquierda: Mapa urbano en China; Arriba derecha: Deforestación en Brasil
Abajo izquierda: Icebergs en Groenlandia; Abajo derecha: Aeropuerto de Heathrow
2.2 DESCRIPCIÓN GENERAL DE LAS COMUNICACIONES POR
SATÉLITE
2.2.1 ARQUITECTURA DE UN SISTEMA DE COMUNICACIONES
POR SATÉLITE
Desde los sistemas satelitales más simples hasta los más complejos, todos ellos están constituidos por
el segmento espacial y por el segmento terreno. Dependiendo de las características del sistema en
cuestión, entre ambos segmentos pueden incluir más o menos estaciones terrenas, estaciones de
control, satélites o terminales de usuario. Las funciones y los elementos de cada uno de estos
segmentos definirán la aplicación final del sistema satelital.
Figura 2: Imágenes satelitales [6]
4
2.2.1.1 SEGMENTO ESPACIAL
El segmento espacial es el elemento diferenciador de las comunicaciones por satélite. Está formado
por el satélite, que a su vez, está constituido por la plataforma y la carga útil o pay load.
Plataforma
La plataforma del satélite incluye:
Estructura del satélite: Sirve de soporte tanto para
sus elementos como para la carga útil. Debe tener
la suficiente resistencia para soportar las fuerzas y
vibraciones del lanzamiento. Incluye también
mecanismos para el despliegue de estructuras
como antenas y paneles solares.
Subsistema de control de la órbita y actitud
mediante correcciones periódicas gracias a un
sistema de propulsión, orienta, estabiliza y apunta
el satélite en el espacio.
Subsistema de control térmico mediante persianas
térmicas, radiadores y sistemas de refrigeración.
Subsistema de alimentación de energía formado
por los paneles solares y por baterías, necesarias
para los eclipses.
Subistema de telemedida, telemando y
seguimiento (TT y S o TT&C en inglés), que se
comunica directamente con la estación TT&C
terrestre.
Carga útil o Pay Load:
La carga útil comprende todos los transpondedores y antenas, así como el equipo asociado que
interviene directamente en la recepción y transmisión de señales radioeléctricas.
Subsistema de antenas: Con varios tipos de antenas para diferentes bandas y aplicaciones,
como por ejemplo: bocinas con anchura de haz de aproximadamente 17º para cobertura
global, reflectores parabólicos para haces puntuales, reflectores parabólicos con alimentadores
múltiples para haces conformados o reflectores parabólicos actuados mecánicamente para
haces móviles.
Subsistema de transpondedores: Un transpondedor es un dispositivo cuya función es la de
recibir señales en un rango de frecuencias determinado, amplificarlas y retransmitirlas a la
Tierra en un rango distinto.
Figura 3: Satélite Intelsat VI [7]
Figura 4: Carga útil de un satélite [7]
5
2.2.1.2 SEGMENTO TERRENO
El segmento terreno puede dividirse en el segmento terreno de usuario, formado por los terminales de
usuario y las estaciones terrenas, y por el segmento terreno de control, compuesto por las estaciones
TT&C (caso particular de estación terrena) y los centros de control desde los cuales se monitorizan
todos los parámetros y aspectos esenciales de la misión.
Estaciones terrenas
Una estación terrena es un equipo de comunicación con una antena o un conjunto de antenas, con
capacidad para transmitir y/o recibir señales. En cada una de ellas se realiza una parte importante del
procesado y enrutado de dichas señales para hacer posible tal transmisión o recepción mediante un
subsistema de antenas y comunicaciones.
Los tipos de antenas utilizadas en las estaciones de tierra suelen ser reflectores hiperbólicos
(Cassegrain), reflectores parabólicos (Gregorian) o reflectores offset. Los diámetros de estas antenas
van desde los 60 cm para recepción de TV o datos hasta 70 metros para la exploración espacial.
En cuanto al subsistema de comunicaciones, los elementos principales que permiten el procesamiento
de las señales para su transmisión o recepción son:
Amplificadores de recepción de bajo ruido (LNA): El amplificador de entrada debe tener la
menor figura de ruido posible y deberá estar situado lo más cerca posible del diplexor de la
antena para evitar pérdidas.
Amplificadores transmisores de alta potencia (HPA): Amplifican la señal para ser enviadas al
satélite. Estos amplificadores deben trabajar fuera de la saturación pues de lo contrario se
producirían productos de intermodulación.
Convertidores de frecuencia: Convierten las señales de FI a microondas y viceversa.
Moduladores y demoduladores: Superponen o extraen las señales de información a la
portadora de FI.
Interfaz con la red terrenal para conectarse con los centros de control en el caso de estaciones
TT&C.
Equipos de multiplexación y demultiplexación para las diversas técnicas de acceso múltiple.
Estaciones TT&C
Las funciones de las estaciones de telemetría, telemando y seguimiento son esencialmente funciones
de comunicaciones internas propias entre el satélite y la propia estación. Dichas funciones pueden
desglosarse en la forma siguiente:
Recolección, conformación, modulación y transmisión de la información relacionada con la
configuración y desempeño del satélite.
Recepción, demodulación, decodificación y distribución de las señales de mando destinadas a
mantener el adecuado funcionamiento del satélite y a adaptar la carga útil a las necesidades de
la misión.
Intercomunicación de señales destinadas a realizar una determinación de alta precisión de la
distancia del satélite a un punto sobre la Tierra.
La sección de telemetría recibe las señales, las procesa en un formato y secuencia predeterminados,
las modula y las transmite al centro de control.
Las señales de telemando se envían desde el centro de control vía enlaces terrenales a través de la
estación TT&C con el fin de controlar la actitud, la posición, la configuración de su carga de
comunicaciones y el estado de los equipos a bordo del satélite. Cada señal de telemando se recibe en
el subsistema del satélite, se demodula y almacena, y regresa por la sección de telemetría al centro de
control para después de su verificación, confirmación y reexpedición
6
Las funciones de distancia y seguimiento al combinarse permiten determinar la posición del satélite,
para eventualmente enviar señales que la corrijan si es necesario.
Centros de control
El centro de control es el lugar donde se realiza la supervisión del estado de los satélites, por lo que
debe colaborar directamente con las estaciones TT&C (en ocasiones, ambas instalaciones pueden
estar localizadas en la misma área). En esta instalación se hacen funciones de conversión,
procesamiento, calculo, interpretación y presentación de los datos proporcionales por las estaciones
TT&C. Entre las funciones complementarias del centro de control están la de informar sobre
interferencias, eclipses o informar sobre posibles interrupciones del servicio.
2.2.2 FUNCIONAMIENTO DE UN SISTEMA DE COMUNICACIO-
NES POR SATÉLITE
Un sistema de comunicaciones por satélite consta de uno o más satélites, uno o más centros de control
y de estaciones terrenas y de TT&C. Todas estas instalaciones hacen posible que un sistema satelital
funcione a la perfección ofreciendo los servicios pertinentes al conjunto de terminales de usuario.
El satélite recibe señales de las estaciones en tierra por el enlace ascendente o uplink, las convierte y
transmite a la zona o zonas de cobertura por el enlace descendente o downlink. Otras funciones
incluyen la recolección de datos de su propio funcionamiento y su transmisión al centro de control
mediante el sistema TT&C. Para evitar interferencias entre los dos enlaces, las frecuencias de son
distintas. Concretamente, las frecuencias del enlace ascendente son mayores que las del enlace
descendente, debido a que cuanto mayor sea la frecuencia, mayor atenuación se produce en el
recorrido de la señal, y por tanto es preferible transmitir con más potencia desde la tierra, donde la
disponibilidad energética es mayor.
El centro de control tiene como función principal vigilar el estado de todos los subsistemas del satélite
y controlar el valor de todos los parámetros esenciales para su buen funcionamiento. Entre otros,
deben monitorizarse los parámetros de posición y apuntamiento. Además, también debe generar
información para los usuarios sobre riesgos próximos en las comunicaciones o sobre eventos de
interferencia que se hayan presentado. Todas estas funciones las realiza por medio de una instalación
compleja de equipos de cómputo, medición, registro y análisis sincronizados con el sistema TT&C.
Figura 5: Infraestructura de un segmento terreno de control [7]
7
2.2.3 TIPOS DE ÓRBITAS
Las órbitas satelitales se pueden clasificar según la orientación de su plano orbital, su excentricidad o
su distancia a la Tierra. En nuestro caso, haremos una clasificación en función de la altura (medida
desde la superficie de la Tierra). En este sentido, las órbitas se clasifican en: órbita baja terrestre
(LEO), órbita media terrestre (MEO) y órbita geoestacionaria (GEO).
En la siguiente tabla se recogen las características principales de cada tipo de órbita:
Características principales
TIPOS DE ÓRBITA
LEO MEO GEO
Altura (km) 200 - 2000 2000 - 23000 35786
Periodo 10 - 127 minutos 2 - 14 horas 24 horas
Velocidad orbital (km/s) > 7 3,5 - 7 3.0747
Vida del satélite (años) ~5 ~10 ~15
Retardo de propagación (ms) 5 - 20 70 - 130 250
Handovers Frecuente Poco frecuente Inexistente
Pérdidas en espacio libre Reducidas Medias Elevadas
Tabla 2: Características principales de las órbitas LEO, MEO y GEO [8]
2.2.4 BANDAS DE FRECUENCIAS
Las bandas de frecuencias habituales que se utilizan para las comunicaciones por satélite son las
bandas de microondas, desde 1 a 40 GHz. Su denominación se resume en la siguiente tabla:
Las altas frecuencias ofrecen una ventaja muy importante y es que se puede enviar mayor información
por segundo. Sin embargo, se necesita más potencia, mayores antenas y por ende, equipos más caros.
Así mismo, tenemos otros factores a considerar, ya que el límite de los 10 GHz da lugar a fenómenos
troposféricos importantes, incluyendo la atenuación por lluvia, atenuación por nubes o absorción
gaseosa.
Tabla 3: Bandas de frecuencia para las comunicaciones por satélite [7]
BANDAS DE FRECUENCIAS PARA LAS COMUNICACIONES POR SATÉLITE
Bandas Rango de frecuencias
(GHz)
Enlace ascendente
(GHz)
Enlace descendente
(GHz)
L 1 - 2 1.61 – 1.66
1.93 – 2.01 1.452 – 1.61
S 2 - 4 2.025 – 2.11 2.29 – 2.50
C 4 - 8 5.925 – 6.425 3.7 – 4.20
X 8 - 12 7.925 – 8.425 7.25 – 7.75
Ku 12 - 18 12.75 – 13.25
14 – 14.5 10.7 – 12.75
Ka 27 - 40 27.5 - 31 17.2 – 21.2
8
2.2.5 TRATAMIENTO DE LAS SEÑALES SATELITALES
Aunque por satélite se pueden establecer comunicaciones tanto de señales analógicas como de
digitales, estas últimas se pueden someter a una mayor diversidad de transformaciones que hacen más
eficiente su transmisión y permiten un menor deterioro de la información original que contienen.
Entre las transformaciones más comunes de las señales en banda base, se encuentran:
Adaptación o acondicionamiento de las señales para mejorar la eficiencia de la transmisión
de la información y su calidad en el punto de recepción.
Conversión analógico-digital pues como ya se ha comentado, desde la aparición de la norma
de compresión digital para señales de televisión y audio MPEG, el uso de señales digitales es
el más usado en las comunicaciones por satélite.
Codificación de canal, agregando bits adicionales a las señales digitales con el fin de aplicar
métodos de detección y corrección de errores con el fin de reducirlos substancialmente en el
destino, haciendo las señales recibidas más resistentes al ruido y a interferencias.
Cifrado o encriptación mediante una codificación superpuesta para evitar que la información
sea interpretada y utilizado por otro que no sea el destinatario.
Compresión digital, que permite que las señales puedan ser transmitidas ocupando un menor
ancho de banda.
Multiplexación o multiplaje, a fin de que múltiples señales compartan el mismo canal de
comunicación.
Una vez tratadas, las señales en banda base se modulan en una portadora de radiofrecuencia y son
transmitidas por la estación terrena. Además de las transformaciones mencionadas, se pueden realizar
otros cambios en la señal como la traslación de frecuencia.
Actualmente en Europa, el estándar DVB-S2 ha sustituido al DVB-S como estándar de vídeo más
empleado en las comunicaciones por satélite, permitiendo también la radiodifusión de servicios de
audio e Internet. Las principales características del estándar DVB-S2 [9], y por tanto de las
comunicaciones por satélite que hacen uso de él, son:
Flexibilidad ACM (Adaptive Coding and Modulation) que permite implementar esquemas de
protección diferentes para cada servicio (TV, HDTV…) sin perjuicio del BC-SS (Backwards
Compatible Broadcast Services).
Uso de un mecanismo contra errores (codificación de canal) FEC mediante la concatenación
de un código externo BCH con un código interno LDPC (con razones 1/4 1/3, 2/5, 1/2,…,8/9
y 9/10) que alcanza prestaciones tan solo 0,7 dB por debajo del límite de Shannon.
Soporte de cuatro modos de modulación de envolvente constante: QPSK y 8PSK para
transpondedores no lineales (cerca de la saturación) y 16APSK y 32APSK para
transpondedores semilineales en los que prima el throughput frente a la eficiencia en potencia.
Uso más eficiente del ancho de banda al añadir tres factores de roll-off: 0,2, 0,25 y 0,35.
Otros estándares que permiten ofrecer estos servicios de radiodifusión son DVB-S (versión anterior al
DVB-S2), DVB-S2X, que hace uso de esquemas de modulación más eficientes como
64/128/256APSK y factores de roll-off más pequeños y DVB-RCS que emplea la modulación QPSK
con un factor de roll-off de 0,35 y un mecanismo FEC mediante la codificación Reed-Solomon más
una codificación convolucional de razón 1/2, 2/3, 3/4, 4/5 y 6/7.
Por último, las técnicas de acceso múltiple que se han empleado con más frecuencia en las
comunicaciones por satélites desde sus comienzos se resumen a continuación:
Multiplexación por división en frecuencia, FDMA: se trata de un esquema sencillo en el
cual, el ancho de banda de cada transpondedor se divide en bandas más pequeñas. Su
principal inconveniente fue la aparición de productos de intermodulación.
9
Multiplexación por división en el tiempo, TDMA: es el tipo de multiplexación más
empleado ya que permite que diversas señales digitales compartan un mismo medio
modificando el tamaño de las tramas sin que se produzcan productos de intermodulación,
permitiendo al amplificador trabajar en el punto de saturación y haciendo a las señales menos
vulnerables a interacciones entre ellas y más resistentes a interferencias. Además, no es
necesario ningún ajuste de potencia y todas las estaciones transmiten a la misma potencia y
frecuencia. A cambio, requiere de una atención especial a la sincronización entre las señales
transmitidas y recibidas. La sincronización es fundamental para evitar que las ráfagas de una
estación se solapen con las de otras.
Multiplexación por división en el código, CDMA: con esta técnica, cada estación transmite
continuamente y de forma simultánea en todo el ancho de banda del canal mediante técnicas
de espectro ensanchado (DS-CDMA o FH-CDMA). Esta técnica permite protección frente a
interferencias de otros sistemas y al multitrayecto. Sin embargo, es necesaria la
sincronización en el receptor y el control de potencia
2.3 BALANCE DE ENLACE SATELITAL
Los enlaces entre las estaciones terrenas y los satélites o entre satélites están constituidos por
radiación electromagnética, dirigida en haces de mayor o menor concentración. Para lograr que los
enlaces cumplan con los requisitos de una determinada comunicación, deben considerarse las
características de los equipos empleados en las estaciones terrenas y satélites, el medio de
propagación y los efectos de radiaciones no deseadas de origen externo o interferencias.
La señal emitida por la estación transmisora debe llegar a la receptora con la potencia suficiente para
garantizar la calidad esperada de la comunicación a pesar de las pérdidas y el ruido introducido, de tal
forma que en el destino, la relación entre la potencia de la portadora y el ruido acumulado, C/N, o en
el caso de señales digitales, entre la energía de bit y la densidad de ruido, Eb/No, tenga el valor
requerido para el enlace considerado.
Debido a la imposibilidad de obtener el valor de la mencionada relación durante el 100% del tiempo,
es necesario señalar como requisito complementario en las bandas superiores a 6 GHz el concepto de
disponibilidad, que es la suma anual media de comunicaciones satisfactorias en un enlace, y que
típicamente va desde el 99.5 al 99.99% según el tipo de servicio.
El balance de enlace calcula el efecto total de los factores que intervienen en la comunicación tales
como los niveles de ganancia de antena, los factores de ruido, la potencia transmitida y las pérdidas
involucradas. Mediante la evaluación del balance de enlace, es posible diseñar el sistema para que
cumpla con sus requisitos sin un costo adicional.
Para calcular el balance de enlace en unidades logarítmicas seguimos los siguientes pasos:
1. Empezamos calculando la PIRE transmitida como la suma entre la potencia transmitida y la
ganancia de la antena transmisora.
PIRE = PTX + GTX (dBW)
La ganancia de la antena se calcula como:
GTX = 20.4 + 10log (k) + 20log (f) + 20log (DTX) (dB)
siendo k la eficiencia de la antena, f la frecuencia del enlace en GHz y DTX su diámetro en
metros.
10
2. Obtenemos las pérdidas en espacio libre
Lbf = 92.45 + 20log (d) + 20log (f) (dB)
siendo d la distancia del enlace en kilómetros.
3. Tenemos en cuenta el resto de pérdidas involucradas, que son las pérdidas por
desapuntamiento entre antenas (Lpoint), las pérdidas atmosféricas (Lag) y las pérdidas en el
transmisor (Ltx) y receptor (Lrx). Estas primeras se calculan haciendo uso de la siguiente
fórmula:
Lpoint = 12·(α/HPBW)2 (dB)
donde α es el ángulo de desapuntamiento entre antenas y HPBW el ancho de haz a -3dB de la
antena, ambos en grados. Este último se calcula, para haces proyectados circulares, como:
HPBW = 70·λ/DTX/RX (º)
4. Calculamos la relación C/No, que corresponde al cociente entre la potencia de la portadora y
la densidad espectral de ruido.
C/No = PIRE + GRX – Lbf – Lpoint – Lag – Ltx – Lrx – 10log (T) – k (dB·Hz)
donde GRX es la ganancia de la antena receptora, T es la temperatura equivalente de ruido en
recepción en grados Kelvin y k es la constante de Boltzmann en unidades logarítmicas, que
tiene un valor de -228.6 dBW/K.
5. Por último, tenemos en cuenta el ancho de banda, BW, medido en Hz, para considerar la
potencia de ruido como tal, y no la densidad espectral del mismo.
C/N = PIRE + GRX – Lbf – Lpoint – Lag – Ltx – Lrx – 10log (T) – cte – 10log (BW) (dB)
6. En el caso de señales digitales, la relación equivalente es la Eb/No, que se calcula a partir de
la relación C/No de la siguiente manera:
Eb/No = C/No – 10log (Vb) (dB)
siendo Vb la velocidad binaria en el enlace en bps.
Es importante también tener en cuenta que los amplificadores no operan en una relación
perfectamente lineal ya que al introducir más de una señal simultánea se genera un espectro de señales
espurias por el efecto de la intermodulación, lo cual puede degradar la calidad del enlace. Una mayor
linealidad se obtiene operando a una potencia menor. Para ello, se requiere realizar un análisis para
determinar la reducción o retención de potencia respecto al punto de saturación (backoff en inglés)
que deberá aplicarse al conjunto de portadoras. Esta reducción se evalúa en dB y responde a la
relación siguiente:
PIRE_BO = PIRE – BO (dB)
La relación C/N total del enlace depende de las correspondientes al enlace ascendente, al enlace
descendente, a la introducida por la intermodulación, C/Nim, y a la interferencia de otros sistemas, C/I.
El valor combinado final se obtiene de la siguiente formula, la cual es aplicable también al resto de las
relaciones C/No y Eb/No.
(C/N)-1
total = (C/N)-1
uplink + (C/N)-1
downlink + (C/N)-1
im + (C/I)-1
11
Dicho valor final debe ser igual o mayor que el mínimo requerido, representando la diferencia el
margen de seguridad remanente para proteger el enlace de incertidumbres derivadas de las hipótesis
simplificadas que sirven de base a las ecuaciones planteadas.
El objetivo final de un enlace es que sea óptimo, lo cual se consigue si la combinación de parámetros
del satélite y de las estaciones terrenas permite que sea mínima la inversión para obtener la relación
C/N total requerida, considerando también el costo de la capacidad utilizada del satélite. Para
conseguir tal optimización en una primera aproximación, debe tenerse en cuenta que al aumentar la
reducción de potencia, la intermodulación se reduce rápidamente aumentando en la misma proporción
(C/N)im, en tanto que se deterioran (C/N)uplink y (C/N)downlink debido a la menor potencia disponible. De
esta manera, la combinación de las variaciones opuestas correspondientes produce un valor máximo
para una reducción que debe ser determinada, como se muestra en la siguiente figura.
Se puede trazar también una familia de curvas de C/N total para distintos valores del factor G/T de la
estación terrena receptora para observar el desplazamiento del valor de la retención de potencia de
entrada que permite que el enlace sea óptimo. En general, puede decirse que los enlaces en los que se
emplean antenas receptoras más pequeñas, y por tanto, con una relación G/T menor, requieren una
menor retención de potencia del transpondedor para optimar el enlace que los enlaces
correspondientes a los de estaciones con antenas grandes.
Figura 6: Variaciones de las relaciones C/N existentes en función de la reducción de potencia de entrada de un transpondedor [10]
12
2.4 LAS COMUNICACIONES POR SATÉLITE EN ESPAÑA
El 15 de noviembre de 1974, España puso en órbita su primer satélite, el Intasat. Este microsatélite se
encargó durante dos años del estudio de los electrones en la ionosfera. Desde entonces, España ha
lanzado diecinueve satélites propios. Si nos centramos en los satélites dedicados a las
telecomunicaciones, nuestro país cuenta con más de una decena de satélites lanzados al espacio o
previstos, todos ellos operados por Hispasat directamente o a través de Hisdesat.
Figura 7: Mapa de coberturas de Hispasat [11]
La flota de satélites de Hispasat permite distribuir más de 1250 canales de televisión y radio así como
servicios de banda ancha en entornos fijos y móviles a más de treinta millones de hogares en Europa,
América y norte de África.
Tabla 4: Flota de satélites de Hispasat [11]
En España, concretamente, también operan otros operadores satelitales de comunicaciones como SES
Astra y Thales Alenia Space España.
Satélite Año de lanzamiento Posición orbital
Hispasat 84W-1 2000 84º Oeste
Hispasat 30W-4 2002 30º Oeste
Xtar-Eur 2005 29º Este
Spainsat 2006 30º Oeste
Amazonas 2 2009 61º Oeste
Hispasat 30W-5 2010 30º Oeste
Amazonas 3 2013 61º Oeste
Amazonas 4A 2014 61º Oeste
Hispasat 36W-1 2017 36º Oeste
Hispasat 30W-6 Previsto en 2017 30º Oeste
Amazonas 5 Previsto en 2017 61º Oeste
13
3 CONSTELACIÓN DE SATÉLITES ONEWEB
3.1 DESCRIPCIÓN GENERAL
El sistema OneWeb [12] consiste en una constelación masiva de satélites de baja órbita (LEO) cuyo
fin es el de proporcionar acceso a Internet global. Para ello, esta constelación está formada por 720
satélites a 1200 km de altura distribuidos en 18 planos con una inclinación casi polar de 87,9º y con
un periodo de 6565,3 segundos, que equivale aproximadamente a 109 minutos. A su vez, la
constelación también contará con el segmento terreno de control, estaciones terrenas o gateways y
terminales de usuario. Este sistema será capaz de proveer de Internet de banda ancha de alta calidad y
bajo coste dichos terminales de usuarios situados sea cual sea su posición en la Tierra. Además, como
los satélites de OneWeb están a una altura mucho menor que los satélites geoestacionarios, los
usuarios experimentarán una latencia menor a los 50 ms, que es 1/13 de la latencia producida con las
redes geoestacionarias. Así mismo, al tratarse de una constelación LEO, los satélites tendrán menos
componentes, menor peso, serán más fáciles de producir y como consecuencia, más baratos de lanzar
al espacio.
El sistema de satélites OneWeb ampliará las redes de operadores móviles e ISPs para ofrecer servicios
de voz y datos a consumidores, negocios, escuelas y otras localizaciones en áreas que no pueden ser
alcanzadas, técnica o económicamente, por medios terrestres como el cable o la fibra óptica.
Los terminales de usuario de OneWeb también podrán funcionar como una pequeña celda para
ampliar las redes de los operadores de móvil actuando como una estación base de pequeño coste a la
cual los usuarios móviles pueden conectarse. OneWeb se asociará con dichos operadores móviles de
tal forma que todos sus clientes se beneficien de la infraestructura de OneWeb en áreas donde los
servicios móviles no están desplegados o la calidad del servicio es baja.
Además, el sistema OneWeb está también diseñado para apoyar el trabajo frente a emergencias por
desastres naturales durante las cuales, las comunicaciones pueden caer inesperadamente. Cuando los
terminales de usuario OneWeb están adjuntos a un vehículo, crean una celda alrededor de dicho
vehículo siendo capaz de trabajar con cualquier operador móvil y con capacidad de proveer servicios
de Internet 4G y voz directamente a vehículos de emergencia para asegurar la conexión con first
responders, trabajadores humanitarios y personal médico.
Figura 8: Boceto de un satélite de la constelación OneWeb [12]
14
3.2 BANDAS DE FRECUENCIAS EMPLEADAS
El sistema OneWeb usa la banda de frecuencia Ku para los enlaces entre los satélites y los terminales
de usuarios y la banda Ka para los enlaces entre los satélites y las estaciones terrenas.
Los terminales de usuarios operando en la banda Ku
consisten en antenas pequeñas y de bajo coste,
típicamente en el rango de entre 30 cm y 75 cm. Estas
antenas se pueden implementar mediante reflectores
parabólicos orientables mecánicamente y/o un array
de antenas. El terminal de usuario será por tanto fácil
y rápido de desplegar y puede fácilmente ser usado
para aplicaciones transportables.
Las estaciones de tierra, que operan en la banda Ka, utilizarán típicamente antenas de 2,4 metros de
diámetro o más, dependiendo de su localización y de las características de propagación asociadas.
Esto hará que sus anchos de haz a -3 dB sean muy estrechos, con valores menores a 0,5º.
Los rangos de frecuencia usados por OneWeb se resumen en la siguiente tabla:
Tipo de link y dirección de transmisión Rangos de frecuencia
Estación terrena - Satélite 27,5 – 29,1 GHz
29,5 – 30,0 GHz
Satélite – Estación terrena
17,8 – 18,6 GHz
18,8 – 19,3 GHz
19, - 20,2 GHz
Terminal de usuario - Satélite 12,75 – 13,25 GHz
14,0 – 14,5 GHz
Satélite – Terminal de usuario 10,7 – 12,7 GHz
Tabla 5: Bandas de frecuencia usadas por la constelación OneWeb [12]
3.3 FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA ONEWEB
Cada satélite OneWeb tendrá 16 haces idénticos no orientables y altamente elípticos operando en la
banda Ku cada uno, mientras que para la banda Ka, operará con dos haces circulares idénticos y
orientables, cada uno perteneciente a antenas independientes. Para conseguir que en la banda Ku los
satélites OneWeb transmitan 16 haces con las características descritas, una de las antenas que opera
en la banda Ka recibirá de una estación terrena 16 canales en dicha banda. Dichos canales serán
convertidos a 16 canales en la banda Ku, cada uno de ellos enrutados en uno de los 16 haces (forward
link) y con un ancho de banda nominal de 250 MHz. Adicionalmente, 16 canales en la banda Ku
proveniente de los terminales de usuario (cada uno de ellos enrutados en un haz) son recibidos,
convertidos en 16 canales en la banda Ka y enviados de vuelta a la misma estación terrena que los
transmitió en primer lugar (return link) con un ancho de banda nominal de 125 MHz. La segunda
antena del satélite que opera en la banda Ka se encargará de rastrear la siguiente estación terrena para
llevar a cabo procedimientos de traspaso o handover.
Figura 9: Terminal de usuario OneWeb [12]
15
El movimiento de los satélites en sus órbitas implicará que un usuario será progresivamente
traspasado de un haz a otro de un mismo satélite OneWeb y finalmente transferido al siguiente
satélite, ya sea en el mismo plano o en otro adyacente. Este traspaso continuo de un satélite a otro se
dará sin problema de tal forma que los usuarios no experimentarán ningún corte de servicio.
Cada canal del enlace de bajada del forward link opera en la banda Ku y es amplificado por un
amplificador de potencia de estado sólido, o por sus siglas en inglés, SSPA. Para los canales del
enlace de bajada del return link, los cuales operan en la banda Ka, hay un total de cuatro SSPAs, dos
para cada antena.
En cuanto a la reutilización de frecuencias, para cada satélite se lleva a cabo de la forma siguiente:
En la banda Ku, al menos dos veces se logra la reutilización espacial de frecuencias en cada
satélite debido a la reutilización de las mismas frecuencias en los haces separados
geográficamente.
En la banda Ka, la reutilización de frecuencias se consigue dos veces en cada satélite
mediante el uso de la polarización ortogonal circular para las transmisiones hacia las
estaciones terrenas.
La tecnología ACM se emplea para asegurar el óptimo caudal de datos como una función del margen
disponible en cada instante de tiempo, el cual varía dependiendo de la atenuación por lluvia así como
por la geometría del enlace mientras el satélite sigue su órbita.
Cada haz de los 16 que forman la huella de cobertura del satélite en la banda Ku soporta servicios
destinados a múltiples terminales de usuario. En el enlace forward (estación terrena – terminal de
usuario), se emplea el esquema de transmisión TDMA por medio del cual cada haz lleva consigo una
única portadora de 250 MHz. Cada terminal de usuario dentro de dicho haz recibe y demodula esta
portadora y extrae de ella la información requerida. En cuanto al enlace return (terminal de usuario –
estación terrena), se emplea el esquema de acceso múltiple de portadora única SC-FDMA/SC-TDMA
que permite a cada usuario transmitir datos en una portadora, típicamente entre 1,25 y 20 MHz, para
minimizar la potencia de pico transmitida por los terminales de usuario.
3.4 SEGMENTO TERRENO DEL SISTEMA ONEWEB
La constelación de satélites OneWeb proveerá de servicios de Internet de banda ancha entre
terminales de usuario y estaciones terrenas localizadas en todo el globo terrestre. Típicamente, una
estación terrena estará formada por hasta 10 antenas, y en algunos casos más, en un emplazamiento
concreto para poder acceder a un número de satélites OneWeb simultáneamente. Se espera que
aproximadamente en 50 o más localizaciones se despliegue una estación terrena. Al menos cuatro
localizaciones estarán en territorio estadounidense, incluyendo estaciones en Hawái y Alaska. La
localización exacta de las estaciones está todavía por determinar. Estas estaciones serán capaces, a
parte de sus funcionalidades básicas, de transmitir y recibir información referente al control de la
carga útil del satélite. La elevación mínima de las antenas que forman una estación terrena será,
típicamente, de 15º, aunque esto puede variar dependiendo de la localización de la estación.
Un número concreto por determinar de todas las estaciones terrenas desplegadas actuará también
como estaciones TT&C, siempre y cuando estén en latitudes altas. Ninguna de estas estaciones se
planea que este localizada en Estados Unidos. Las operaciones de red serán llevadas a cabo
principalmente en es instalaciones en Reino Unido y Florida (USA).
16
En la siguiente tabla se resumen las características técnicas de las estaciones TT&C y del subsistema
de control de la carga útil del satélite:
Modulación del enlace ascendente BPSK
Frecuencias del enlace ascendente 27-27,5 GHz
Modulación del enlace descendente QPSK
Frecuencias del enlace descendente Estaciones TT&C: 19,7 – 19,77 GHz
Control de la carga útil: 19,265 – 19,3 GHz
Polarización de las antenas del satélite LHCP y RHCP
Tabla 6: Características de las estaciones TT&C y del control de carga útil del satélite [12]
En cuanto a los centros de control, OneWeb operará al menos dos centros de control, que
probablemente estarán localizados en Virginia (USA) y el Reino Unido. Los centros de control, las
estaciones TT&C y las estaciones terrenas se conectarán mediante circuitos privados o leased lines y
redes privadas virtuales (VPN).
3.5 COBERTURA GEOGRÁFICA
Debido a que las órbitas que siguen los satélites OneWeb son casi polares, estos pasarán sobre todas
las latitudes terrestres siendo capaces de proveer servicios a todas las localizaciones de la Tierra.
Todos los puntos de la superficie terrestre verán, en todo momento, a un satélite OneWeb a una
elevación no menor de 55 grados.
Figura 10: Cobertura global de la Tierra (huellas de cobertura simplificadas) [12]
17
Cobertura geográfica en la banda Ku
Para los enlaces entre los satélites OneWeb y los terminales de usuario, cada satélite transmite 16
haces altamente elípticos con su eje mayor en la dirección este-oeste y su eje menor en la dirección
norte-sur. La organización de los 16 haces crea una huella de cobertura casi cuadrada sobre la
superficie terrestre de aproximadamente 1140 km x 1140 km. En la siguiente figura se muestran los
contornos de ganancia de dicha huella a -3 dB vistos desde el satélite, estando este apuntando a la
dirección nadir.
Para los enlaces de la banda Ku, la combinacion de las huellas de cobertura de todos los satelites
OneWeb aseguran la cobertura global objetivo.
Cobertura geográfica en la banda Ka
Para los enlaces entre los satélites OneWeb y las estaciones terrena, cada satélite tiene dos haces
circulares idénticos independientes de radio 2 km aproximadamente y orientables sobre todo el campo
de visión del satélite. Es la intención de OneWeb instalar suficientes estaciones terrenas (al menos 50)
para asegurar que los satélites tengan al menos una estación con la cual pueden comunicarse desde
cualquier punto de sus orbitas.
Figura 11: Huella de cobertura de un satélite OneWeb en la banda Ku [12]
18
3.6 ANÁLISIS DE INTERFERENCIAS
El sistema OneWeb debe cumplir con los límites establecidos por el FCC en cuanto a la densidad de
flujo de potencia, o PFD por sus siglas en inglés, de tal forma que cualquier punto terrestre esté
protegido de interferencias debido a las transmisiones de los satélites tanto en la banda Ku y Ka,
cumpliendo así con los requerimientos que se especifican en el artículo 22 de la ITU Radio
Regulations.
Las técnicas de OneWeb para cumplir los límites de PFD establecidos se definen para proteger las
redes geoestacionarias de las interferencias que pudieran producir los satélites OneWeb. Estas
técnicas tienen además el efecto de proteger al propio sistema OneWeb de la posible interferencia
proveniente de los satélites geoestacionarios. Estas técnicas son diferentes dependiendo de la banda en
la que se esté operando.
Cumplimiento de los límites de PFD en la banda Ku
La constelación OneWeb tiene los suficientes satélites para asegurar que siempre hay uno visible
desde cualquier punto con un ángulo de elevación elevado – típicamente mayor que 50o. Cada satélite
OneWeb provee eficazmente servicio solamente al área de la Tierra justo debajo de él con los 16
haces elípticos centrados en el punto subsatélite si no se aplica pitching. Esto implica que no se
producen eventos de interferencia cuando los satélites OneWeb están situados en latitudes altas
debido a su separación angular con las redes geoestacionarias, como se muestra en la siguiente figura,
donde hay una estación terrena GEO a una latitud de 50oN y un satélite OneWeb alineado con dicha
estación.
Figura 12: Protección frente a interferencias en la banda Ku (no progessive pitch) [12]
Vemos que en estas situaciones, las estaciones terrenas geoestacionarias reciben:
Señales de baja potencia provenientes de los lóbulos secundarios del satélite OneWeb que
coinciden con el haz principal de la estación geoestacionaria.
Señales de máxima potencia provenientes del haz principal del satélite OneWeb que
coinciden con los lóbulos secundarios de la estación geoestacionaria.
Análogamente, la protección de los satélites GEO se consigue del mismo modo ya que las estaciones
terrenas de OneWeb, cuando se comunican con los satélites de la constelación, apuntan muy lejos de
las antenas geoestacionarias.
Solamente cuando los satélites pasan por latitudes menores se podrán producir eventos de
interferencia potenciales. En estas situaciones, la interferencia es evitada moviendo la antena del
satélite menos de 10º en dirección hacia el ecuador de tal forma que la ganancia de la antena se
reduzca en latitudes donde la estación terrena GEO esté alineada con el satélite OneWeb. A esta
técnica se la denomina progressive pitch y es la clave para evitar interferencias en las redes
geoestacionarias en la banda Ku.
19
En la siguiente figura se muestra una estación terrena GEO a una latitud de 30oN que está siendo
protegida frente a interferencias al haber desplazado el haz del satélite OneWeb hacia el sur para
alejarlo de la estación en cuestión.
El ángulo que deberá desplazarse la huella de cobertura hacia el ecuador se ajustará gradualmente
mientras los satélites se acercan a latitudes bajas. En el momento en el que los satélites OneWeb
pasen justo por el ecuador, estos se apagarán temporalmente si fuese necesario mientras ajustan su
pitch para la dirección opuesta.
Cumplimiento de los límites de PFD en la banda Ka
Al igual que sucedía en la banda Ku, para cumplir con los límites establecidos de PFD y por tanto,
para evitar que se produzcan interferencias en la red geoestacionaria, se debe asegurar una separación
angular mínima necesaria entre los satélites y estaciones terrenas del sistema OneWeb y los sistemas
geoestacionarios
El principio empleado para proteger a las redes geoestacionarias de la interferencia en la banda Ka
proveniente del sistema OneWeb es el denominado arc avoidance. Esta técnica “apaga” las
transmisiones de los satélites OneWeb cuando se alinean peligrosamente con las estaciones terrenas
geoestacionarias. Sin embargo, debido a la baja potencia empleada en los enlaces OneWeb, solamente
será necesario aplicar esta técnica en un rango de α=6º del arco orbital del satélite geoestacionario.
El hecho de aplicar este método para evitar eventos de interferencia en la banda Ka supondrá un
aumento moderado de estaciones terrenas en comparación con la situación teórica donde no es
empleado. A cambio, este aumento supondrá una mayor diversidad geométrica de enlaces, lo cual
podrá ser de mucha utilidad en el caso de eventos meteorológicos desfavorables.
Figura 13: Protección frente a interferencias en la banda Ku mediante progressive pitch [12]
Figura 14: Definición del ángulo α [12]
20
4 MODELADO DEL ESCENARIO
4.1 SOFTWARE EMPLEADO
Para la simulación que se va a llevar a cabo de la constelación de satélites OneWeb se ha empleado la
herramienta de software MATLAB (Matrix Laboratory). La elección de utilizar esta herramienta se ha
hecho debido a que es una de las muchas sofisticadas herramientas de computación disponibles en el
comercio para resolver problemas de matemáticas, concretamente, para cualquier operación que
involucre matrices.
MATLAB es particularmente popular para aplicaciones de ingeniería eléctrica o telecomunicaciones,
aunque se usa también mucho en todos los campos de la ingeniería y ciencias, como por ejemplo, en
ingeniería biomédica o en el estudio de la dinámica de fluidos.
Cuando ejecutamos el programa nos aparece una interfaz como la mostrada en la siguiente figura:
MATLAB utiliza varias ventanas de despliegue. La vista por defecto, que se presenta en la figura,
incluye las siguientes ventanas principales:
Current Folder: la ventana del directorio actual lista todos los archivos de la carpeta en la
que nos encontremos, la cual se cita en la parte superior de la command window.
Command Window: la ventana de comandos se localiza en la parte central de la vista por
defecto. El empleo de esta ventana permite introducir los comandos que se desee para
implementar un programa. Todas las variables que se introduzcan quedarán registradas en el
workspace. A su vez, también es donde se ejecutan las funciones en el caso de que las haya e
informará sobre los errores que aparezcan a lo largo de la ejecución del programa.
Workspace: La ventana del área de trabajo registra todas las variables que se definen y
ejecutan en la ventana de comandos. Concretamente, muestra el nombre de las variables, su
valor y su clase entre otras opciones.
Figura 15: Interfaz de MATLAB (versión R2016a)
21
4.2 MODELADO Y REPRESENTACIÓN DE LA CONSTELACIÓN
DE SATÉLITES ONEWEB
4.2.1 PARÁMETROS ORBITALES
Los parámetros o elementos orbitales de la órbita de un cuerpo celeste son un conjunto de seis
variables que permiten definir su órbita alrededor de otro cuerpo celeste. Estos seis parámetros,
particularizados a un satélite alrededor de la Tierra, son los siguientes:
Ascensión recta del nodo ascendente, Ω: Es el ángulo que va desde el punto Aries (punto
equinoccial vernal) hasta el nodo ascendente de la órbita del satélite, medido en el plano del
ecuador y en sentido directo.
Inclinación orbital, i: Es el ángulo que forma el plano de la órbita del satélite celeste con
respecto al plano del ecuador.
Argumento del perigeo, ω: Es el ángulo que va desde el nodo ascendente hasta el perigeo,
medido en el plano orbital del satélite y en su sentido de su movimiento. Para objetos que
orbitan el Sol, se llama argumento del perihelio-
Excentricidad, e: Es un valor entre 0 y 1 que determina la forma de una elipse, y por tanto,
de una órbita. Viene dado por el cociente entre la semidistancia entre los dos focos de la
elipse y el semieje mayor. Si su valor es 0, la órbita es circular.
Semieje mayor de la órbita, a: Es equivalente a la distancia media de un satélite que orbita
alrededor de la Tierra, ya que el objeto central, es decir, la Tierra, ocupa uno de los focos. Si
la órbita es circular, este parámetro se corresponderá con el radio de la circunferencia.
Anomalía media, M: Es la fracción de un período orbital que ha transcurrido, expresada
como ángulo.
Figura 16: Parámetros orbitales de un cuerpo alrededor del Sol [13]
22
4.2.2 MÉTODO DE WALKER
Existen varios tipos de constelaciones satelitales que pueden satisfacer los objetivos de una misión
particular. Normalmente, las constelaciones se diseñan de tal forma que los satélites tengan orbitas,
inclinaciones y excentricidades similares para que cualquier posible perturbación afecta a cada satélite
por igual. Otra consideración a tener en cuenta en el diseño de constelaciones de satélites es el
desfasaje y la separación angular entre los satélites para evitar colisiones e interferencias entre ellos.
Por estas razones, la constelación OneWeb se va a modelar mediante el método de Walker, según el
cual, todos las orbitas serán circulares (excentricidad nula) y con la misma inclinación. Su notación
es la siguiente:
T/P/F i
donde T es el número de satélites de la constelación, P el número de planos, F el desfase entre paso
por nodo ascendente de satélites en planos adyacentes e i la inclinación orbital de todos los planos.
A partir de estos datos, se puede definir también el número de satélites por plano como T/P, el
desfasaje nodal entre planos como 360/P y el desfase de paso entre satélites de planos consecutivos
como 360·F/T.
Figura 17: Método de Walker para el diseño de constelaciones satelitales [8]
De este modo, la notación para la constelación OneWeb será 720/18/1 87,9º. Otros ejemplos de
constelaciones que siguen el modelo Walker como método de diseño son Globalstar (48/8/1 52º),
Iridium (66/6/1 86,4º) o Galileo (24/3/1 53º).
4.2.3 FUNCIÓN ORBIT_SIMULATOR
La principal función de nuestro simulador tiene el nombre de orbit_simulator, y tiene la siguiente
cabecera:
function orbit_simulator (tipo_orbita, numero_satelites_plano,
numero_planos, numero_periodos, Hour, Day, Month, Year, tipo_estadistica,
tipo_interferencia, pitch, arc_avoidance)
Esta función tiene los siguientes parámetros de entrada: tipo_orbita, numero_satelites_plano,
numero_planos, numero_periodos, Hour, Day, Month y Year para la representación de la
constelación, tipo_estadistica y tipo_interferencia para la obtención de estadísticas y resultados y
pitch y arc_avoidance como técnicas para mitigar interferencias.
23
4.2.4 REPRESENTACIÓN 2D Y 3D
Para la correcta representación de la constelación OneWeb, lo primero es determinar correctamente
los parámetros orbitales de la misma con el fin de calcular las coordenadas inerciales para la
representación 3D y las coordenadas geográficas para la representación 2D o Ground Track.
Los pasos para obtener tales representaciones se resumen a continuación [14]:
1. Definir las constantes necesarias para los cálculos como la constante de Kepler (k), el radio
terrestre (re) y la hora de paso por el perigeo (tp) que establecemos en el instante inicial 0 así
como los parámetros orbitales y el desfasaje entre satélites de planos adyacentes.
2. Calculamos el periodo orbital y la velocidad angular.
3. Discretizamos la variable tiempo con el siguiente cálculo:
𝑡 = 𝑇𝑠 · 𝑛𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜_𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑜𝑠 · 𝑗
𝑁 · 60
donde j es un vector que va de 1 a N, siendo N el número de muestras/puntos que sigue cada
satélite durante sus órbitas.
4. Obtenemos mediante la siguiente fórmula, el último elemento orbital que faltaba por
determinar, la anomalía media.
𝑀 = 𝑛 · (𝑡 − 𝑡𝑝)
5. Calculamos la anomalía excéntrica mediante el método de Newton-Raphson.
𝐸 = 𝐸 − 𝑓, 𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒 𝑓 = 𝐸−𝑒·𝑠𝑖𝑛(𝐸)−𝑀1−𝑒·𝑐𝑜𝑠 (𝐸)
6. Determinamos las coordenadas cartesianas orbitales y la matriz A1.
𝑋𝑜 = 𝑎 · (𝑐𝑜𝑠(𝐸) – 𝑒)
𝑌𝑜 = 𝑎 · √1 − 𝑒2 · 𝑠𝑖𝑛(𝐸)
𝑍𝑜 = 0
7. Definimos la matriz de giro, G1, de la siguiente manera:
𝑐𝑜𝑠(𝛺) ⋅ 𝑐𝑜𝑠(𝜔) − 𝑠𝑖𝑛(𝛺) ⋅ 𝑐𝑜𝑠 (𝑖) ⋅ 𝑠𝑖𝑛(𝜔) −𝑐𝑜𝑠(𝛺) ⋅ 𝑠𝑖𝑛(𝜔) − 𝑠𝑖𝑛(𝛺) ⋅ 𝑐𝑜𝑠 (𝑖) ⋅ 𝑐𝑜𝑠(𝜔) 𝑠𝑖𝑛(𝛺) ⋅ 𝑠𝑖𝑛(𝑖)
𝑠𝑖𝑛(𝛺) ⋅ 𝑐𝑜𝑠(𝜔) + 𝑐𝑜𝑠(𝛺) ⋅ 𝑐𝑜𝑠 (𝑖) ⋅ 𝑠𝑖𝑛(𝜔) −𝑠𝑖𝑛(𝛺) ⋅ 𝑠𝑖𝑛(𝜔) + 𝑐𝑜𝑠(𝛺) ⋅ 𝑐𝑜𝑠 (𝑖) ⋅ 𝑐𝑜𝑠(𝜔) −𝑐𝑜𝑠(𝛺) ⋅ 𝑠𝑖𝑛(𝑖)
𝑠𝑖𝑛(𝑖) ⋅ 𝑠𝑖𝑛(𝜔) 𝑠𝑖𝑛(𝑖) ⋅ 𝑐𝑜𝑠(𝜔) 𝑐𝑜𝑠 (𝑖)
8. Obtenemos la matriz B1 como el producto de la matriz G1 por la matriz A1. Tras ello,
determinamos las coordenadas inerciales: Xi será la primera fila de la matriz B1, Yi la
segunda fila y Zi la tercera. A partir de estas coordenadas, ya es posible representar el
movimiento de los satélites orbitando la Tierra.
24
9. Pasamos a calcular ahora las coordenadas rotaciones a partir de las inerciales. Para ello,
calculamos primero el tiempo en siglos julianos, Tc:
𝑇𝑐 = 𝐽𝐷 − 2415020
36525
donde JD es la fecha juliana, la cual se calcula a partir de una fecha gregoriana habitual (Año,
Mes, Día y Hora) que se pasa como parámetro de entrada a la función. Esta fecha será el 20
de octubre de 2016 a las 4 p.m.
10. Obtenemos ahora la ascensión recta del meridiano cero.
𝛼𝑔𝑜 = 996909.883 · 10−4 + 36000.7689 · 𝑇𝑐 + 38708 · 10−8 · 𝑇𝑐2
11. Determinamos la ascensión recta del meridiano cero considerando la hora.
𝛺𝑒𝑇𝑒 = 𝛼𝑔𝑜𝑝 + 25068447 · 10−8 · 𝑡
donde αgop es la ascensión recta del meridiano cero habiendo eliminado los periodos
completos.
12. Definimos ahora la matriz de giro, G2 y la matriz A2 como:
cos (𝛺𝑒𝑇𝑒) sin (𝛺𝑒𝑇𝑒) 0−sin (𝛺𝑒𝑇𝑒) cos (𝛺𝑒𝑇𝑒) 0
0 0 1
13. Obtenemos la matriz B2 como el producto de la matriz G2 por la matriz de coordenadas
inerciales, A2. Tras ello, determinamos las coordenadas rotacionales: Xr será la primera fila
de la matriz B2, Yr la segunda fila y Zr la tercera.
14. Finalmente, calculamos las coordenadas geográficas del punto subsatélite. Estas coordenadas
permitirán la representación 2D o Ground Track de los satélites. Empezando por la latitud,
esta se obtiene como sigue:
𝐿𝑠 = asin (𝑍𝑟
√𝑋𝑟2 + 𝑌𝑟2 + 𝑍𝑟2)
Y en cuanto a la longitud, seguimos el siguiente procedimiento:
Calculamos una variable auxiliar a partir de la siguiente formula:
𝑎𝑢𝑥 = atan (|𝑌𝑟|
|𝑋𝑟|)
Obtenemos las longitudes ls1 y ls2 de la siguiente manera:
o 𝑆𝑖 𝑋𝑟 > 0, 𝑙𝑠1 = 𝑎𝑢𝑥 ; 𝑙𝑠2 = 2ᴨ − 𝑎𝑢𝑥
o 𝑆𝑖 𝑋𝑟 < 0, 𝑙𝑠1 = ᴨ − 𝑎𝑢𝑥 ; 𝑙𝑠2 = ᴨ + 𝑎𝑢𝑥
Determinamos la longitud real del punto subsatélite teniendo en cuenta que:
o 𝑆𝑖 𝑌𝑟 > 0, 𝑙𝑠 = 𝑙𝑠1
o 𝑆𝑖 𝑌𝑟 < 0, 𝑙𝑠 = 𝑙𝑠2
25
4.3 CONDICIONES DE VISIBILIDAD E INTERFERENCIA
Tanto para implementar las condiciones de visibilidad de los satélites OneWeb y los escenarios en los
que se produzcan eventos de interferencia en las redes geoestacionarias, lo primero es definir y
obtener las elevaciones y azimuts de los satélites y estaciones terrenas para cada situación particular.
La elevación es el ángulo entre el horizonte
visto desde la estación terrena y el satélite. Se
mide en grados y tiene un rango que va desde
los 0º (satélite en el horizonte) a los 90º
(satélite en la perpendicular).
El azimut es el ángulo medido sobre el
horizonte que forman el punto cardinal Norte y
el punto subsatélite. Se mide en grados desde
el punto cardinal Norte en el sentido de las
agujas del reloj, o sea Norte-Este-Sur y tiene
un rango que va desde los 0º a los 360º.
Para determinar pues la elevación [16] de cada satélite en función de la posición de una estación
terrena, seguimos los siguientes pasos:
1. Obtenemos el ángulo central, γ, a partir de la
siguiente fórmula:
cos(γ) = cos(𝐿𝑒) · cos(𝐿𝑠) · cos(𝑙𝑠 − 𝑙𝑒) + sin(𝐿𝑒) · sin (𝐿𝑠)
donde Le, le, Ls y ls son la latitud y longitud de la
estación terrena y punto subsatélite respectivamente.
2. Calculamos el ángulo nadir, β, como:
𝛽 = 𝑡𝑎𝑛−1 (
𝑟𝑒𝑎
· sin(γ)
1 −𝑟𝑒𝑎
· cos(γ) )
3. La elevación será pues:
𝐸𝑙 = 90 − 𝛽 − 𝛾
En el caso de trabajar con satélites geoestacionarios (Ls = 0º), las fórmulas se simplifican.
Concretamente, el ángulo central se calcula como:
cos(γ) = cos(𝐿𝑒) · cos(𝑙𝑠 − 𝑙𝑒)
La elevación, por su parte, tiene la siguiente forma:
𝐸𝑙 = 𝑡𝑎𝑛−1( cos(γ) −
𝑟𝑒42164
sin(γ) )
Figura 18: Elevación y Azimut de un satélite con respecto a
una estación terrena [15]
Figura 19: Ángulo central, ángulo nadir y elevación [16]
26
En cuanto al ángulo azimut [16], los pasos para calcularlo se puntualizan a continuación:
1. Se determina un ángulo intermedio, α. Este ángulo intermedio determinará el cuadrante
exacto en el que se encuentre la estación terrena, lo cual hará que el azimut cambie.
cos(𝛼) =sin(𝐿𝑒) − cos(γ) · sin (𝐿𝑠)
sin(γ) · cos (Ls)
2. Una vez obtenido α, distinguimos cuatro casos que detallamos en la siguiente tabla:
(1) Punto subsatélite al SE de la estación terrena Az = 180 - α
(2) Punto subsatélite al SW de la estación terrena Az = 180 + α
(3) Punto subsatélite al NE de la estación terrena Az = α
(4) Punto subsatélite al NW de la estación terrena Az = 360 - α
Tabla 7: Cálculo del azimut en función de la posición de la estación terrena y el punto subsatélite [16]
Si se operase con satélites geoestacionarios, es necesario también calcular el mismo ángulo
intermedio, α, pero de la siguiente manera:
𝛼 = 𝑡𝑎𝑛−1( tan (|𝑙𝑠 − 𝑙𝑒|)
sin (𝐿𝑒) )
De la misma forma que antes, dependiendo de la posición del punto subsatélite con respecto a la
estación terrena, el ángulo azimut sufrirá las transformaciones ya indicadas en la tabla.
Por último, es esencial también conocer el slant range [16] o distancia entre satélites y estaciones
terrenas o terminales de usuario. La fórmula que define esta magnitud es la siguiente:
𝑑 = 𝑎 · √1 +𝑟𝑒2
𝑎2 − 2 ·𝑟𝑒
𝑎· cos(γ)
Para satélites geoestacionarios, esta fórmula se simplifica, quedando como sigue a continuación:
𝑑 = 42242 · √1,02274 − 0,301596 · cos(γ)
Con la explicación de qué son y cómo se calculan los ángulos de elevación y azimut así como el slant
range, ya se pueden definir las condiciones de visibilidad e interferencia.
Condiciones para visibilidad
Para que un satélite OneWeb sea visible por una estación terrena se debe cumplir que la elevación de
dicho satélite sea mayor que la elevación mínima de la estación en cuestión. Tanto para las estaciones
terrenas OneWeb como para los terminales de usuario, la elevación mínima que tendremos en cuenta
en la simulación será de 15º.
Para que un satélite, además de ser visible, se esté comunicando con una estación terrena o con un
terminal de usuario (servicio disponible), a la condición anterior se le debe añadir que tal estación o
terminal esté dentro de la huella de cobertura del satélite y que la distancia entre ellos sea la más
pequeña en comparación con el resto de satélites de la constelación.
27
En el caso de que se cumpla la condición de comunicación, se comprobará también las condiciones de
interferencia en el terminal de usuario (misma idea que las condiciones para interferencia en el satélite
GEO) con el fin de obtener la relación Eb/No real.
Condiciones para interferencia en el satélite GEO
Para que una estación terrena OneWeb interfiera con un satélite geoestacionario, se debe cumplir que
el satélite OneWeb con el que se está comunicando la estación esté aproximadamente alineado con el
satélite geoestacionario. Esto se verificará si la elevación y azimut de la estación OneWeb hacia el
satélite GEO es igual a la elevación y azimut del satélite OneWeb +/- el semiancho de haz de dicha
estación OneWeb.
Por supuesto, al igual que sucedía en el estudio de la visibilidad, si hay comunicación entre satélite y
estación terrena se cumple que dicha estación está dentro de la huella de cobertura del satélite y que la
distancia entre ellos es la menor de entre todos los demás satélites presentes.
Condiciones para interferencia en la estación terrena GEO
Para que un satélite OneWeb interfiera con una estación terrena geoestacionaria, de una forma
análoga al anterior caso, se debe cumplir que el satélite OneWeb esté aproximadamente alineado con
el satélite geoestacionario y la estación con la que este se comunica. Esto se verificará si la elevación
y azimut de la estación GEO hacia el satélite geoestacionario es igual a la elevación y azimut del
satélite OneWeb (con respecto a dicha estación GEO) +/- su semiancho de haz.
Además, como es lógico, el satélite OneWeb interferente debe estar emitiendo justo cuando esté
alineado y la estación GEO debe estar dentro de su huella de cobertura para que se produzca
interferencia. En este sentido, se ha tenido en cuenta el caso peor, es decir, que el satélite OneWeb
esté constantemente emitiendo, haciendo que siempre que se cumpla la condición de alineamiento y
que la estación geoestacionaria esté dentro de la huella de cobertura del satélite, se produzca
interferencia.
4.4 MODELADO DE LAS HUELLAS DE COBERTURA, ANCHOS
DE HAZ Y ÁNGULOS DE DESAPUNTAMIENTO
Comenzando por las huellas de cobertura, se muestra a continuación cómo se ha modelado la huella
de cobertura de los satélites OneWeb en la banda Ku con respecto a la original (figura 10).
Figura 20: Modelado de la huella de cobertura de un satélite OneWeb en la banda Ku
28
El tamaño de la huella es de 1140 km x 1140 km, que equivale a 10,25º de latitud y longitud pura
(aproximación válida al ser las órbitas prácticamente polares). Por otro lado, la huella de cobertura no
es circular, por lo que es necesario calcular un ancho de haz vertical y otro horizontal, lo cual se hace
a partir del ángulo nadir. Para el plano vertical, seguimos los siguientes pasos:
1. cos(γ) = cos (10,25
16·2) · cos(0) · cos(0) + sin (
10,25
16·2) · sin(0)
2. 𝛽 = 𝑡𝑎𝑛−1 ( 𝑟𝑒
𝑎·sin(γ)
1−𝑟𝑒
𝑎·cos(γ)
)
3. 𝐻𝑃𝐵𝑊_𝑣𝑒𝑟 = 2𝛽
Y para el caso del plan horizontal, de una forma análoga:
1. cos(γ) = cos (10,25
2) · cos(0) · cos(0) + sin (
10,25
2) · sin(0)
2. 𝛽 = 𝑡𝑎𝑛−1 ( 𝑟𝑒
𝑎·sin(γ)
1−𝑟𝑒
𝑎·cos(γ)
)
3. 𝐻𝑃𝐵𝑊_ℎ𝑜𝑟 = 2𝛽
En el caso de que la huella de cobertura proyectada sea circular, como pasa en la banda Ka con una
huella de radio 22 km o 0,2º de latitud o longitud pura, los anchos de haz se calculan de la forma
habitual. Los satélites geoestacionarios por su parte incluyen, al menos, una antena tipo bocina para
cobertura global a 29 GHz y un reflector parabólico a 12 GHz (banda Ku) y a 19 GHz (banda Ka),
ambos con haces muy estrechos y proyecciones circulares.
En cuanto a los ángulos de desapuntamiento, se destacan las siguientes particularidades:
Los terminales de usuario, al estar formado por antenas dirigibles, apuntan perfectamente al
satélite OneWeb, por lo que el ángulo de desapuntamiento en el enlace ascendente es nulo.
De la misma forma, se ha supuesto, lógicamente, que el satélite geoestacionario apunta
perfectamente a la estación terrena y viceversa, por lo que el ángulo de desapuntamiento tanto
en el enlace ascendente como en el descendente es nulo.
En cuanto a la posición de las estaciones terrenas, se ha supuesto el caso peor en tanto que sus
posiciones geográficas son las mismas. Esto hace que el satélite geoestacionario no solo esté
apuntando perfectamente a la estación terrena geoestacionaria, sino también a la estación
terrena de OneWeb y al terminal de usuario, haciendo que el ángulo de desapuntamiento en el
enlace descendente sea nulo, aumentando la interferencia en el caso de haber.
Para el resto de casos, el cálculo del ángulo de desapuntamiento entre antenas se obtiene a partir del
ángulo nadir, habiendo dos diferentes (vertical y horizontal) en el caso de que la huella de cobertura
sea como la de la figura 11 o 20.
Figura 21: Huella de cobertura circular [17]
29
4.5 VALORES EMPLEADOS EN EL ESTUDIO DEL BALANCE DE
ENLACE ONEWEB
A continuación se van a presentar los valores de los parámetros involucrados en el balance de enlace
entre los satélites de OneWeb y un terminal de usuario situado en la posición 10ºN y 0ºW. Estos
parámetros se van a emplear para calcular la relación Eb/No del enlace con el fin de analizar su
calidad. Para ello, vamos a diferenciar entre el enlace ascendente (terminal de usuario – satélite
OneWeb) y descendente (satélite OneWeb – terminal de usuario).
Enlace ascendente
PARÁMETRO VALOR UNIDADES
Frecuencia 14 GHz
Eficiencia de las antenas
(transmisora y receptora) 0,75 -
Diámetro de la antena transmisora 0,5 m
Potencia transmitida 0 dBW
Ganancia de la antena transmisora 36,65 dB
PIRE transmitida 36,65 dBW
Pérdidas por espacio libre Variable a lo largo del pase dB
Pérdidas atmosféricas 0,5 dB
Pérdidas entre el transmisor y la
antena transmisora 1 dB
Pérdidas entre la antena receptora
y el receptor 1 dB
Pérdidas por desapuntamiento 0 dB
Ganancia de la antena receptora 23,3 dB
Temperatura total de ruido en el
receptor 1000 K
Retención de potencia 2 dB
Tasa binaria 5 Mbps
Tabla 8: Parámetros del enlace ascendente
30
Enlace descendente
PARÁMETRO VALOR UNIDADES
Frecuencia 12 GHz
Eficiencia de las antenas
(transmisora y receptora) 0,75 -
Potencia transmitida 10 dBW
Ganancia de la antena transmisora 23,3 dB
PIRE transmitida 33,3 dBW
Pérdidas por espacio libre Variable a lo largo del pase dB
Pérdidas atmosféricas 0,5 dB
Pérdidas entre el transmisor y la
antena transmisora 1 dB
Pérdidas entre la antena receptora
y el receptor 1 dB
Pérdidas por desapuntamiento Variable a lo largo del pase dB
Diámetro de la antena receptora 0,5 m
Ganancia de la antena receptora 34,71 dB
Temperatura total de ruido en el
receptor 200 K
Retención de potencia 2 dB
Tasa binaria 50 Mbps
Tabla 9: Parámetros del enlace descendente
Tanto para el enlace ascendente como para el descendente, el tamaño de las antenas de los terminales
de usuario se ha establecido en 0,5 metros, las cuales permiten operar con un HPBW de 3º, mientras
que la antena a bordo de los satélites OneWeb que se comunica con tales terminales (en la banda Ku)
es un reflector que no posee simetría de revolución y tiene un HPBW en el plano vertical de 3,40º e
igual a 49,85º en el plano horizontal.
Ahora bien, estos valores nos permiten obtener la relación Eb/No sin interferencia. Para obtener tal
relación pero teniendo en cuenta la interferencia, debemos calcular la relación C/I del enlace entre el
satélite geoestacionario y el terminal de usuario de OneWeb y viceversa. Sin embargo, la interferencia
que pudiese producir el terminal de usuario en el satélite geoestacionario es muy pequeña en
comparación al enlace interferente opuesto (satélite GEO – terminal de usuario OneWeb) y al valor de
Eb/No sin interferencia, por lo que solamente se va a tener en cuenta la interferencia del enlace
descendente.
31
Interferencia en el terminal de usuario (banda Ku)
En primer lugar se definen los parámetros del enlace interferente, es decir, aquellos que permiten
calcular cuanta potencia recibe el terminal de usuario proveniente de un satélite GEO.
PARÁMETRO VALOR UNIDADES
Frecuencia 12 GHz
Eficiencia de las antenas
(transmisora y receptora) 0,75 -
Potencia transmitida 17 dBW
Ganancia de la antena transmisora 36,05 dB
PIRE transmitida 53,05 dBW
Pérdidas por espacio libre 205,16 dB
Pérdidas atmosféricas 0,5 dB
Pérdidas entre el transmisor y la
antena transmisora 1 dB
Pérdidas entre la antena receptora
y el receptor 1 dB
Pérdidas por desapuntamiento Variable a lo largo del pase dB
Diámetro de la antena receptora 0,5 m
Ganancia de la antena receptora 34,71 dB
Tabla 10: Parámetros del enlace interferente (satélite GEO – terminal de usuario) a 12 GHz
El otro enlace involucrado en el cálculo la relación C/I en el terminal de usuario es el enlace que
permite obtener la potencia recibida por dicho terminal proveniente de un satélite OneWeb.
PARÁMETRO VALOR UNIDADES
Frecuencia 12 GHz
Eficiencia de las antenas
(transmisora y receptora) 0,75 -
Potencia transmitida 10 dBW
Ganancia de la antena transmisora 23,3 dB
PIRE transmitida 33,3 dBW
Pérdidas por espacio libre Variable a lo largo del pase dB
Pérdidas atmosféricas 0,5 dB
32
Pérdidas entre el transmisor y la
antena transmisora 1 dB
Pérdidas entre la antena receptora
y el receptor 1 dB
Pérdidas por desapuntamiento Variable a lo largo del pase dB
Diámetro de la antena receptora 0,5 m
Ganancia de la antena receptora 34,71 dB
Tabla 11: Parámetros del enlace satélite OneWeb – terminal de usuario a 12 GHz
La frecuencia de ambos enlaces es de 12 GHz, pues es la frecuencia a la cual recibe el terminal de
usuario.
4.6 VALORES EMPLEADOS EN EL ESTUDIO DE LA
INTERFERENCIAS EN LAS REDES GEOESTACIONARIAS
En este punto se van a definir los valores de los parámetros involucrados en el estudio de
interferencias en las redes geoestacionarias, ya sea en los satélites o en las estaciones terrenas. Para
ello, se ha supuesto que tanto la estación terrena OneWeb como geoestacionaria están en la misma
posición geográfica (10ºN – 0ºW) y que el satélite geoestacionario está a su vez en longitud 0º.
Interferencia en el satélite GEO (banda Ka)
En primer lugar se definen los parámetros del enlace interferente, es decir, aquellos que permiten
calcular cuanta potencia recibe el satélite GEO proveniente de una estación terrena OneWeb.
PARÁMETRO VALOR UNIDADES
Frecuencia 29 GHz
Eficiencia de las antenas
(transmisora y receptora) 0,75 -
Diámetro de la antena transmisora 2,5 m
Potencia transmitida 13 dBW
Ganancia de la antena transmisora 56,36 dB
PIRE transmitida 69,36 dBW
Pérdidas por espacio libre 212,82 dB
Pérdidas atmosféricas 0,5 dB
Pérdidas entre el transmisor y la
antena transmisora 1 dB
Pérdidas entre la antena receptora
y el receptor 1 dB
33
Pérdidas por desapuntamiento Variable a lo largo del pase dB
Diámetro de la antena receptora 1 m
Ganancia de la antena receptora 48,4 dB
Tabla 12: Parámetros del enlace interferente (estación terrena OneWeb - satélite GEO) a 29 GHz
La frecuencia del enlace es 29 GHz, que es la frecuencia a la que transmite la estación OneWeb
mientras opera con antenas de 2,5 metros de diámetro y un HPBW igual a 0,29º. Por otro lado, la
antena del satélite geoestacionario que trabaja a esta frecuencia es un reflector de aproximadamente 1
metro, por lo que su HPBW tiene un valor de 0,72º.
El otro enlace involucrado en el cálculo la relación C/I en el satélite geoestacionario es el enlace que
permite obtener la potencia recibida por el satélite GEO proveniente de una estación terrena GEO.
PARÁMETRO VALOR UNIDADES
Frecuencia 29 GHz
Eficiencia de las antenas
(transmisora y receptora) 0,75 -
Diámetro de la antena transmisora 4 m
Potencia transmitida 20 dBW
Ganancia de la antena transmisora 60,44 dB
PIRE transmitida 80,44 dBW
Pérdidas por espacio libre 212,82 dB
Pérdidas atmosféricas 0,5 dB
Pérdidas entre el transmisor y la
antena transmisora 1 dB
Pérdidas entre la antena receptora
y el receptor 1 dB
Pérdidas por desapuntamiento 0 dB
Diámetro de la antena receptora 1 m
Ganancia de la antena receptora 48,4 dB
Tabla 13: Parámetros del enlace estación terrena GEO - satélite GEO a 29 GHz
La estación terrena geoestacionaria posee antenas de 4 metros de diámetro capaces de operar a varias
frecuencias diferentes, entre ellas, a 12, 19 y 29 GHz, y que trabajan con un HPBW de 0,44º, 0,28º y
0,18º respectivamente.
34
Interferencia en la estación terrena GEO (banda Ku)
Se definen en primer lugar los parámetros del enlace interferente, es decir, aquellos que permiten
obtener cuanta potencia recibe la estación terrena GEO proveniente de un satélite de OneWeb.
PARÁMETRO VALOR UNIDADES
Frecuencia 12 GHz
Eficiencia de las antenas (transmisora y receptora) 0,75 -
Potencia transmitida 10 dBW
Ganancia de la antena transmisora 23,3 dB
PIRE transmitida 33,3 dBW
Pérdidas por espacio libre Variable a lo largo del pase dB
Pérdidas atmosféricas 0,5 dB
Pérdidas entre el transmisor y la antena transmisora 1 dB
Pérdidas entre la antena receptora y el receptor 1 dB
Pérdidas por desapuntamiento Variable a lo largo del pase dB
Diámetro de la antena receptora 4 m
Ganancia de la antena receptora 52,78 dB
Tabla 14: Parámetros del enlace interferente (satélite OneWeb - estación terrena GEO) a 12 GHz
La frecuencia del enlace es 12 GHz, que es la frecuencia a la que transmite el satélite OneWeb en la
banda Ku mientras opera con una antena que no posee simetría de revolución (dos anchos de haz).
El otro enlace necesario para el cálculo la relación C/I en la estación terrena GEO es el enlace que
permite obtener la potencia recibida por la estación terrena GEO proveniente de un satélite GEO.
PARÁMETRO VALOR UNIDADES
Frecuencia 12 GHz
Eficiencia de las antenas
(transmisora y receptora) 0,75 -
Potencia transmitida 17 dBW
Ganancia de la antena transmisora 36,05 dB
PIRE transmitida 53,05 dBW
Pérdidas por espacio libre 205,16 dB
Pérdidas atmosféricas 0,5 dB
35
Pérdidas entre el transmisor y la
antena transmisora 1 dB
Pérdidas entre la antena receptora
y el receptor 1 dB
Pérdidas por desapuntamiento 0 dB
Diámetro de la antena receptora 4 m
Ganancia de la antena receptora 52,78 dB
Tabla 15. Parámetros del enlace satélite GEO – estación terrena GEO a 12 GHz
A la frecuencia de 12 GHz, el satélite geoestacionario no opera con un reflector convencional, si no
que genera una huella contorneada mediante un HPBW aproximado de 3º.
Interferencia en la estación terrena GEO (banda Ka)
Análogamente al caso anterior, se definen en primer lugar los parámetros del enlace interferente, pero
esta vez cambiando la frecuencia de trabajo al operar en otra banda.
PARÁMETRO VALOR UNIDADES
Frecuencia 19 GHz
Eficiencia de las antenas
(transmisora y receptora) 0,75 -
Diámetro de la antena transmisora 0,5 m
Potencia transmitida 10 dBW
Ganancia de la antena transmisora 38,71 dB
PIRE transmitida 48,71 dBW
Pérdidas por espacio libre Variable a lo largo del pase dB
Pérdidas atmosféricas 0,5 dB
Pérdidas entre el transmisor y la
antena transmisora 1 dB
Pérdidas entre la antena receptora
y el receptor 1 dB
Pérdidas por desapuntamiento Variable a lo largo del pase dB
Diámetro de la antena receptora 4 m
Ganancia de la antena receptora 56,77 dB
Tabla 16: Parámetros del enlace interferente (satélite OneWeb - estación terrena GEO) a 19 GHz
La frecuencia del enlace es 19 GHz, que es la frecuencia a la que transmite el satélite OneWeb en la
banda Ka mientras opera con antenas de 0,5 metros y con un HPBW igual a 2,21º.
36
De nuevo, el otro enlace involucrado en el cálculo la relación C/I en la estación terrena
geoestacionaria es el enlace que permite obtener la potencia recibida por la estación terrena GEO
proveniente de un satélite GEO.
PARÁMETRO VALOR UNIDADES
Frecuencia 19 GHz
Eficiencia de las antenas
(transmisora y receptora) 0,75 -
Diámetro de la antena transmisora 2 m
Potencia transmitida 17 dBW
Ganancia de la antena transmisora 50,45 dB
PIRE transmitida 67,45 dBW
Pérdidas por desapuntamiento 209,15 dB
Pérdidas atmosféricas 0,5 dB
Pérdidas entre el transmisor y la
antena transmisora 1 dB
Pérdidas entre la antena receptora y
el receptor 1 dB
Pérdidas por desapuntamiento 0 dB
Diámetro de la antena receptora 4 m
Ganancia de la antena receptora 56,77 dB
Tabla 17: Parámetros del enlace satélite GEO – estación terrena GEO a 19 GHz
El satélite geoestacionario, operando a 19 GHz, posee un reflector de 2 metros de diámetro y un
HPBW de 0,55º.
Modificaciones realizadas para obtener más eventos de interferencia
A continuación, enumeramos una serie de cambios que se han efectuado con el objetivo de tener más
eventos de interferencia en las simulaciones para validar el funcionamiento del simulador, aunque no
represente situaciones reales:
En la banda Ka, la huella de cobertura del satélite OneWeb es circular. Con el fin de obtener
más eventos de interferencia, se ha decidido modificar el valor original del radio de dicha
huella de cobertura a 3º, y como consecuencia, el ancho de haz del satélite a 30.88º.
En la banda Ka, el ancho de haz de la estación terrena OneWeb se ha aumentado a 20º.
El ancho de haz de la estación terrena geoestacionaria para todas las frecuencias que opera se
ha elevado a 20º.
El ancho de haz del terminal de usuario OneWeb en la banda Ku se ha aumentado a 20º.
37
5 RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN
5.1 CONSIDERACIONES PREVIAS
La simulación se va a realizar para tres escenarios diferentes (A, B y C) que van a diferir en el número
de satélites por plano y el número de planos. Antes de exponer los resultados de tal simulación, es
necesario tener en cuenta las siguientes consideraciones que serán comunes para todos los escenarios:
Independientemente del número de satélites por plano y número de planos, la órbita va a tener
las características propias de OneWeb.
El tiempo medido será de un periodo, que recordamos tiene un valor de 6565,3 segundos.
El número de puntos o muestras por periodo que se van a calcular va a ser de 3000 para el
escenario A, 3000 para el escenario B y 100 para el escenario C.
La fecha en la cual se van a hacer los cálculos será el 20 de octubre de 2016 a las 4 p.m.
La posición geográfica del terminal de usuario, estación terrena OneWeb y estación terrena
GEO es la misma (10ºN – 0ºW). El satélite GEO está posicionado en la longitud 0º.
5.2 ESCENARIO A: 1 SATÉLITE Y 1 PLANO ORBITAL
Estadísticas de visibilidad. Calidad del enlace (banda Ku)
Para una constelación de la forma 1/1/1 87,9º y una estación terrena OneWeb de longitud 0º, latitud
10ºN y con elevación mínima de 15º:
El 91,50 % del tiempo medido la estación terrena ve 0 satélites OneWeb.
El 8,50 % del tiempo medido la estación terrena ve 1 satélite OneWeb.
Un usuario situado en la misma posición geográfica que la estación terrena OneWeb tiene servicio
durante el 2,87 % del tiempo medido, lo cual equivale aproximadamente a 3 minutos y 8 segundos.
La variación temporal de la relación Eb/No sin interferencia se muestra en la siguiente figura, donde
se ve que el valor medio de la relación durante dicho porcentaje es de 8,14 dB.
Figura 22: Relación Eb/No sin interferencia en la banda Ku (escenario A)
38
Si tenemos en cuenta la interferencia en el terminal de usuario, la relación Eb/No se degrada durante
el momento del pase del satélite en el cual se produce interferencia. Esta situación ocurre el 0,53 %
del tiempo medido, que equivale a 35 segundos, y concretamente, el valor medio de la relación pasa
de 8,14 dB a 7,67 dB.
Interferencia en el satélite geoestacionario (banda Ka)
Para una constelación de la forma 1/1/1 87,9º, una estación terrena OneWeb de longitud 0º y latitud
10ºN y un satélite GEO de longitud 0º:
El 0,37 % del tiempo medido (24 segundos) hay interferencia en el satélite GEO.
La variación temporal de la relación C/I en el satélite GEO se muestra en la figura 24 de, donde su
valor medio durante dicho porcentaje es de 11,46 dB.
Interferencia en la estación terrena geoestacionaria (banda Ku)
Para una constelación de la forma 1/1/1 87,9º, una estación terrena GEO de longitud 0º y latitud 10ºN
y un satélite GEO de longitud 0º:
El 0,53 % del tiempo medido (35 segundos) hay interferencia en la estación terrena GEO.
La variación temporal de la relación C/I en la estación terrena GEO se muestra en la figura 25, donde
su valor medio durante dicho porcentaje es de -7,53 dB.
Interferencia en la estación terrena geoestacionaria (banda Ka)
Para una constelación de la forma 1/1/1 87,9º, una estación terrena GEO de longitud 0º y latitud 10ºN
y un satélite GEO de longitud 0º:
El 0,37 % del tiempo medido (24 segundos) hay interferencia en la estación terrena GEO.
La variación temporal de la relación C/I en la estación terrena GEO se muestra en la figura 26, donde
su valor medio durante dicho porcentaje es de -7,96 dB.
Figura 23: Relación Eb/No con interferencia en la banda Ku (escenario A)
39
Figura 24: Relación C/I en el satélite GEO en la banda Ka (escenario A)
Figura 25: Relación C/I en la estación terrena GEO en la banda Ku (escenario A)
40
.
5.3 ESCENARIO B: 48 SATÉLITES Y 8 PLANOS ORBITALES
Estadísticas de visibilidad. Calidad del enlace (banda Ku)
Para una constelación de la forma 48/8/1 87,9º y una estación terrena OneWeb de longitud 0º, latitud
10ºN y con elevación mínima de 15º:
El 30,07 % del tiempo medido la estación terrena ve 0 satélite OneWeb.
El 39,63 % del tiempo medido la estación terrena ve 1 satélite OneWeb.
El 30,30 % del tiempo medido la estación terrena ve 2 satélites OneWeb.
Un usuario situado en la misma posición geográfica que la estación terrena OneWeb tiene servicio
durante el 12,07 % del tiempo medido, que equivale aproximadamente a 13 minutos y 12 segundos.
La variación temporal de la relación Eb/No del enlace se muestra en la figura 27, donde se ve que el
valor medio de la relación durante dicho porcentaje es de 7,39 dB.
Si tenemos en cuenta la interferencia en el terminal de usuario, la relación Eb/No se degrada durante
el momento del pase del satélite en el cual se produce interferencia, como se aprecia en la figura 28.
Esta situación ocurre el 1,33 % del tiempo medido, que equivale a 1 minuto y 27 segundos, y
concretamente, el valor medio de la relación pasa de 7,39 dB a 7,11 dB.
Interferencia en el satélite geoestacionario (banda Ka)
Para una constelación de la forma 48/8/1 87,9º, una estación terrena OneWeb de longitud 0º y latitud
10ºN y un satélite GEO de longitud 0º:
El 1,03 % del tiempo medido (1 minuto y 8 segundos) hay interferencia en el satélite GEO.
La variación temporal de la relación C/I en el satélite GEO se muestra en la figura 29, donde su valor
medio durante dicho porcentaje es de 11,56 dB.
Figura 24: Relación C/I en la estación terrena GEO en la banda Ka (escenario A)
41
Figura 25: Relación Eb/No sin interferencia en la banda Ku (escenario B)
Figura 26: Relación Eb/No con interferencia en la banda Ku (escenario B)
42
Interferencia en la estación terrena geoestacionaria (banda Ku)
Para una constelación de la forma 48/8/1 87,9º, una estación terrena GEO de longitud 0º y latitud
10ºN y un satélite GEO de longitud 0º:
El 1,33 % del tiempo medido (1 minuto y 27 segundos) hay interferencia en la estación
terrena GEO.
La variación temporal de la relación C/I en la estación terrena GEO se muestra en la figura 30, donde
su valor medio durante dicho porcentaje es de -7,68 dB.
Interferencia en la estación terrena geoestacionaria (banda Ka)
Para una constelación de la forma 48/8/1 87,9º, una estación terrena GEO de longitud 0º y latitud
10ºN y un satélite GEO de longitud 0º:
El 1,03 % del tiempo medido (1 minuto y 8 segundos) hay interferencia en la estación terrena
GEO.
La variación temporal de la relación C/I en la estación terrena GEO se muestra en la figura 31, donde
su valor medio durante dicho porcentaje es de -8,29 dB.
Conclusiones y aclaraciones:
El hecho de aumentar el número de satélites de la constelación hace que el terminal de usuario tenga
servicio durante más tiempo. Así mismo, la estación terrena ve durante más tiempo a más satelites,
concretamente, el 70 % del tiempo medido siempre tiene, al menos, a un satélite visible.
En cuanto a la interferencia en el terminal de usuario, cabe destacar que esta se produce en el primer y
cuarto pase con servicio, y respecto a las interferencias en las redes satelites geoestacionarias, como
era de esperar, al aumentar el número de satélites, el porcentaje de tiempo en el cual se producen tales
eventos de interferencia aumenta.
Figura 27: Relación C/I en el satélite GEO en la banda Ka (escenario B)
43
.
Figura 29: Relación C/I en la estación terrena GEO en la banda Ka (escenario B)
Figura 28: Relación C/I en la estación terrena GEO en la banda Ku (escenario B)
44
5.4 ESCENARIO C: CONSTELACIÓN ONEWEB COMPLETA
Estadísticas de visibilidad. Calidad del enlace (banda Ku)
Para una constelación de la forma 720/18/1 87,9º y una estación terrena OneWeb de longitud 0º,
latitud 10ºN y con elevación mínima de 15º:
El 2,00 % del tiempo medido la estación terrena ve 13 satélites OneWeb.
El 29,00 % del tiempo medido la estación terrena ve 14 satélites OneWeb.
El 38,00 % del tiempo medido la estación terrena ve 15 satélites OneWeb.
El 26,00 % del tiempo medido la estación terrena ve 16 satélites OneWeb.
El 5,00 % del tiempo medido la estación terrena ve 17 satelites OneWeb.
Un usuario situado en la misma posición geográfica que la estación terrena OneWeb tiene servicio
durante el 100 % del tiempo medido, que equivale a todo el periodo. El valor medio de la relación
Eb/No durante dicho porcentaje es de 7,63 dB.
Si tenemos en cuenta la interferencia en el terminal de usuario, la relación Eb/No se degrada durante
el momento del pase del satélite en el cual se produce interferencia. Esta situación ocurre el 5 % del
tiempo medido, que equivale a 5 minutos y 28 segundos, y concretamente, el valor medio de la
relación pasa de 7,63 dB a 7,29 dB.
Interferencia en el satélite geoestacionario (banda Ka)
Para una constelación de la forma 720/18/1 87,9º, una estación terrena OneWeb de longitud 0º y
latitud 10ºN y un satélite GEO de longitud 0º:
El 2,00 % (2 minutos y 11 segundos) del tiempo medido hay interferencia en el satélite GEO.
El valor medio de la relación C/I en el satélite GEO durante dicho porcentaje es de 11,65 dB.
Interferencia en la estación terrena geoestacionaria (banda Ku)
Para una constelación de la forma 720/18/1 87,9º, una estación terrena GEO de longitud 0º y latitud
10ºN y un satélite GEO de longitud 0º:
El 5,00 % del tiempo medido (5 minutos y 28 segundos) hay interferencia en la estación
terrena GEO.
El valor medio de la relación C/I en la estación terrena GEO es de -8,78 dB.
Interferencia en la estación terrena geoestacionaria (banda Ka)
Para una constelación de la forma 720/18/1 87,9º, una estación terrena GEO de longitud 0º y latitud
10ºN y un satélite GEO de longitud 0º:
El 2,00 % del tiempo medido (2 minutos y 11 segundos) hay interferencia en la estación
terrena GEO.
El valor medio de la relación C/I en la estación terrena GEO es de -7,40 dB.
Conclusiones y aclaraciones:
En este escenario, debido a que la simulación se ha hecho solamente con 100 puntos por periodo por
cada satélite, la evolución temporal de las gráficas no es representativa, a pesar de que los valores
medios y los porcentajes si lo sean. Por esa razón, no se incluyen en el presente trabajo.
Dicho esto, al operar con la constelación OneWeb completa, la estación terrena siempre tiene visibles
al menos a 13 satélites. Por otro lado, al ser una constelación tan amplia, el terminal de usuario
siempre tiene servicio.
De la misma forma, al haber más satélites a tener en cuenta, el porcentaje de tiempo en el cual se
producen eventos de interferencia aumenta.
45
5.5 REPRESENTACIÓN DE LOS ESCENARIOS
A continuación, se va a mostrar la representación 3D de todos los escenarios y el Ground Track del
escenario A, con el fin de visualizar claramente la diferencia entre ellos en cuanto a número de
satélites por plano y número de planos totales.
Figura 30: Representación 3D del escenario A - Walker 1/1/1 87,9º
Figura 31: Representación 3D del escenario B - Walker 48/8/1 87,9º
46
Figura 34: Representación 3D del escenario C - Walker 720/18/1 87,9º
Figura 35: Ground Track del escenario A
47
6 MITIGACIÓN DE INTERFERENCIAS
6.1 PROGRESSIVE PITCH
Como ya se ha explicado en el presente trabajo, la técnica del progressive pitch permite acabar con las
interferencias en las estaciones terrenas geoestacionarias en la banda Ku mediante el giro de la antena
del satélite hacia el ecuador.
Figura 32: Aplicación del progressive pitch un ángulo β
El uso del progressive pitch en la simulación hace que no se produzcan eventos de interferencia en las
estaciones geoestacionarias. Concretamente, la aplicación de un pitch de 5º es suficiente para
descartar tal aparición de interferencias.
Como consecuencia, el uso de esta técnica está directamente relacionado con procesos de handover
entre satélites, ya que al aplicarlas, la estación terrena protegida deberá procurar comunicarse con otro
satélite de la constelación cuyo “comportamiento natural” no esté siendo alterado.
6.2 ARC AVOIDANCE
En la banda Ka, la técnica empleada para evitar que se produzca interferencia en las estaciones
terrenas geoestacionarias se denomina arc avoidance. Esta práctica consiste en “apagar” los satélites
cuando cumplen las condiciones de interferencia ya explicadas. En el caso de OneWeb, estas
condiciones se cumplen siempre y cuando el satélite OneWeb este alineado con la red geoestacionaria
o dentro de un rango de α=6º del arco orbital del satélite geoestacionario.
Análogamente al caso anterior, el hecho de aplicar esta técnica en la simulación hace que no
aparezcan eventos de interferencia en la estación terrena que se quiere proteger, siendo también
necesario el traspaso de un satélite a otro para mantener la comunicación activa, y consecuentemente,
los servicios ofrecidos.
48
7 CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS
7.1 CONCLUSIONES
En primer lugar se comentan algunas de las dificultades que han aparecido a lo largo de este trabajo:
Necesidad de conocer ampliamente el mundo de las comunicaciones por satélite, histórica y
técnicamente, al ser un trabajo que ofrece una perspectiva a lo largo de su historia.
Familiarizarse con los conceptos teóricos empleados en las comunicaciones por satélites,
como por ejemplo, la mecánica orbital y parámetros orbitales para el cálculo de las
coordenadas empleadas para la representación 2D y 3D, la geometría y trigonometría para la
obtención de los ángulos de elevación y azimut y comprender las condiciones de visibilidad e
interferencia.
Programar en MATLAB el código necesario para simular la constelación de satélites
OneWeb y que fuese capaz de arrojar todos los datos presentados. Así mismo, tener un
amplio conocimiento sobre el entorno en cuestión y las múltiples opciones que ofrece. Para
hacer frente a este problema ha sido necesaria una exhaustiva búsqueda tanto de libros,
manuales de usuarios y las herramientas de ayuda propias del programa.
Largos tiempos de ejecución. Al ser una constelación masiva (720 satélites), la cantidad de
datos a manejar y sintetizar ha sido enorme, haciendo que las simulaciones se alargaran en el
tiempo.
Tras hacer frente a estos problemas, podemos concluir que se han cumplido prácticamente todos los
objetivos planteados en el inicio de este trabajo. Tras un primer enfoque teórico en el que se ha pasado
por más de 60 años de historia hasta llegar a la era de las constelaciones masivas de satelites, se han
detallado las características de un sistema de comunicación satelital, y en concreto, la constelación
OneWeb para posteriormente unirlo con la segunda parte del trabajo, en la que a través de varias
simulaciones, se ha estudiado la calidad del enlace con un terminal de usuario en tierra así como la
aparición de interferencias en redes geoestacionarias. Las conclusiones que se pueden sacar de ello se
resumen a continuación:
Cuanto mayor sea la constelación en términos de número de satelites y número de satelites
por plano, mayor será el número de satélites vistos por una estación terrena. De la misma
manera, un terminal de usuario tendrá durante más tiempo. Sin embargo, los valores medios
de la relación Eb/No no sufren apenas variaciones.
Respecto a las interferencias, el hecho de que operar con una constelación masiva de satelites
de órbita LEO, aumenta las posibilidades de que se produzcan eventos de interferencia en las
redes geoestacionarias, sin que ello implique una variación destacable en los valores medios
de la relación C/I.
Cuantos más eventos de interferencia haya, más necesario será aplicar técnicas para mitigarla,
lo que llevará a más procesos de handover entre satélites.
En resumen, con este trabajo se ha querido ofrecer una panorámica de las comunicaciones por satélite
así como explicar su importancia desde el punto de visto tecnológico y social desde sus inicios hasta
el día de hoy. Además, se ha expuesto un tipo de constelación de satelites que, previsiblemente, va a
tener una importancia relevante en las comunicaciones futuras, como lo es OneWeb, y finalmente, se
ha optado por simular dicha constelación con el fin de estudiar su calidad y viabilidad.
En lo personal, ha sido un orgullo y un honor haber podido hacer este Trabajo de Fin de Grado en el
cual he podido unir los dos sectores en los que estoy más interesado y en los que espero seguir ligado
mucho tiempo, las telecomunicaciones y la aeronáutica.
49
7.2 LÍNEAS FUTURAS
Un trabajo como el realizado puede ampliarse casi indefinidamente, tanto en conocer más en detalle
toda la historia de las comunicaciones satelitales como en profundizar en el diseño de más
constelaciones, estudiando sistemas más complejos y controlando un mayor número de parámetros.
Se destacan a continuación aquellas líneas que considero más importantes, y en las que me gustaría
seguir trabajando, posiblemente en el futuro Trabajo Fin de Máster.
Estudiar y analizar el futuro de las comunicaciones por satélite en cuanto a nuevas
tecnologías, equipos y aplicaciones.
Mejorar la calidad del enlace modificando los parámetros involucrados en el enlace entre el
terminal de usuario y los satelites OneWeb.
Añadir más variables a los balances de enlace, como por ejemplo, los fenómenos
meteorológicos.
Aumentar el número de terminales de usuario y estaciones terrenas.
Mejorar el tiempo de ejecución de la simulación mediante una programación más eficiente,
independiente del número de satelites, y que no comprometa el número de puntos o muestras
a representar por periodo. De esta manera, las gráficas del escenario C serían representativas
y acordes a la situación planteada y se conseguiría una mayor exactitud en los resultados.
Obtener más estadísticas, como por ejemplo, cuantificar el número de handovers que se
llevan a cabo en un periodo y como esto puede afectar a la calidad del servicio.
Ampliar la simulación a otro tipo de constelaciones (O3b, GPS, Galileo, Globalstar, Iridium)
para realizar un estudio similar al que se ha acometido con OneWeb.
Analizar la viabilidad económica a largo plazo de constelaciones masivas de satélites en
órbita LEO que tengan que evitar situaciones de interferencia a menudo y proponer nuevas
técnicas para mitigarlas.
La cantidad de líneas de investigación que tiene un trabajo basado en comunicaciones por satelites es
enorme por tratarse de una forma de transmisión ampliamente conocida y desplegada, con mucha
proyección en el futuro y con unas prestaciones de capacidad y alcance mucho mejores que cualquier
otro medio de transmisión actual.
50
8 BIBLIOGRAFÍA
[1] Extra-terrestrial Relays
http://lakdiva.org/clarke/1945ww/1945ww_oct_305-308.html
[2] ¿Cuántos satélites hay alrededor de la Tierra?
http://www.curiosfera.com/cuantos-satelites-alrededor-la-tierra/
[3] OneWeb
http://oneweb.world/
[4] Sputnik 1
https://es.wikipedia.org/wiki/Sputnik_1
[5] Ramón Martínez Rodríguez-Osorio. (2010). Comunicaciones por satélite - Seminario de
comunicaciones por satélite - Universidad Autónoma de Madrid
[6] Alfonso Alexander Gálvez Calle. (2014). Diseño de un simulador de comunicaciones por satélite
y posterior estudio de prestaciones para diferentes configuraciones
[7] Ramón Martínez Rodríguez-Osorio y Miguel Calvo Ramón. Comunicaciones por satélite - ETSI
de Telecomunicación - Universidad Politécnica de Madrid
[8] Ramón Martínez Rodríguez-Osorio. (2009). Tipos de órbitas. Constelaciones de satélites - ETSI
de Telecomunicación - Universidad Politécnica de Madrid
[9] DVB-S2
http://www.etsi.org/technologies-clusters/technologies/satellite/dvb-s-s2
[10] Carlos Rosado. (2000). Comunicaciones por satélite. Principios, tencologías y sistemas -
Asociación Hispanoamericana de Centros de Investigación y Empresas de Telecomunicaciones
[11] Flota de satélites de Hispasat
http://www.hispasat.com/es/flota-de-satelites
[12] OneWeb. (2013). OneWeb non-Geoestacionary Satellite System. Attachment A. Technical
Information to Supplement Schedule S
[13] Elementos orbitales
https://es.wikipedia.org/wiki/Elementos_orbitales
[14] Ramón Marténez Rodríguez-Osorio y Miguel Calvo. (2009). Orbital Mechanicns - ETSI de
Telecomunicación - Universidad Politécnica de Madrid
[15] Cómo ortientar una antena dish en Mexico. (2010)
http://linuxmanr4.com/2010/03/13/como-orientar-una-antena-de-dish-en-mexico/
[16] Ramón Marténez Rodríguez-Osorio y Miguel Calvo Ramón. (2009). Ground Track. View
Angles - ETSI de Telecomunicación - Universidad Politécnica de Madrid
[17] Tipos de haces. (2010). Universidad Nacional Autónoma de Mexico
[18] OneWeb: Key Characteristics and Aero Application. (2016)
http://www.satcom.guru/2016/04/oneweb-first-look-at-their-filing.html
